PRÁCTICAS DE LABORATORIO

ASIGNATURA: DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

1ER CURSO DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN

ÁREA DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA

UNIVERSIDAD DE OVIEDOUniversidad de Oviedo

PRÁCTICA 1

Guión:

• Manejo del osciloscopio

• Manejo del generador de funciones

• Montaje con diodos• Efecto de la tensión de codo

• Comportamiento en frecuencia

Equipos usados en las prácticas de dispositivos

Osciloscopio

Generador de funciones

Fuente de alimentación

Mandos relacionados con la escala vertical

Mandos relacionados con la escala horizontal

Mandos relacionados con la sincronización

Manejo del osciloscopio

Botones de Menú

Tiempo

Voltios

El osciloscopio es un equipo que sirve para visualizar formas de onda de TENSIÓN de un circuito. Las formas de onda las representan en dos ejes: el eje de abscisas representa tiempo y el eje de ordenadas representa tensión. Las escalas de ambos ejes son modificables por el usuario. La pantalla está dividida en cuadrículas y lo que el usuario elige es el valor de cada una de esas cuadrículas.

Cuadrícula

Time/Div

V/Div

Escala Vertical

Con este mando elegimos el valor de la escala vertical de cada cuadrícula. Este valor puede estar comprendido entre 2mV y 5V cuando la sonda es de tipo 1:1. Si la sonda es 1:X, estos valores se multiplican por X.

Este mando muestra en pantalla el menú correspondiente al canal 2. Además, activa o desactiva el canal pulsándolo sucesivas veces.

Este mando activa el menú de matemáticas. Las opciones que presenta permiten hacer operaciones aritméticas con las formas de onda.

En el osciloscopio, el usuario puede elegir el punto donde quiere que se represente el valor de cero voltios. Para ello, debe usarse el cursor de posición.

Es necesario informar al equipo del tipo de sonda en uso

!

Escala Horizontal

Con este mando se selecciona el valor horizontal de cada cuadrícula. Este valor está comprendido entre 5ns y 5s.

Con este mando se activa el menú correspondiente a la escala horizontal del osciloscopio.

Con este mando puede desplazarse horizontalmente la traza que se está representando en el osciloscopio.

Sincronización de formas de onda El osciloscopio está pensado para representar

formas de onda periódicas. Para que la imagen aparezca representada de forma estable, el osciloscopio debe poder tomar “instantáneas” de la forma de onda siempre en el mismo punto. Esto se consigue con los mandos de sincronización (TRIGGER).Este mando fija el nivel de disparoEste mando activa el menú del TRIGGER.

En este menú debemos seleccionar el canal que estamos intentando sincronizar. También podemos elegir la pendiente en la que se realizará el disparo: positiva o negativa.

Nivel de disparo

Dos opciones:

Modo DC y Modo ACEn el menú de selección de cada canal aparece una de las opciones de más interés del osciloscopio: el modo DC y el modo AC.

Como se ha comentado, el osciloscopio es un equipo que sirve para representar formas de onda de un circuito. El modo DC representa las formas de onda tal cual son, es decir, vemos la forma de onda real.

Sin embargo, el modo AC filtra la señal con lo que lo que vemos en el osciloscopio no se corresponde totalmente con la realidad. El modo AC elimina la componente de continua de una forma de onda.

0

10

11

9

Forma de onda real: modo DC

0

1

-1

Forma de onda en modo AC

Componente de continua

Se elimina la componente de continua

Sondas

Este osciloscopio tiene dos canales: CH1 y CH2.

MUY IMPORTANTE: las masas de ambos canales están unidas, es decir, comparten la misma masa.

!

MASA

Terminal Activo

MASA

Terminal ActivoLos dos cocodrilos deben conectarse en el mismo punto del circuito

1. Tener en mente la forma de onda que pretendemos visualizar (amplitud y frecuencia)

2. Adecuar la escala horizontal y la escala vertical para poder visualizar tres o cuatro periodos de dicha forma de onda.

3. Seleccionar el canal correspondiente a la sonda que estamos usando

4. Comprobar que el tipo de sonda es el adecuado ( 1:1, 1:10, etc)

5. En general, comprobar que la masa de la sonda está pinchada en la masa del circuito

6. Comprobar que el canal en uso está en modo DC

7. Comprobar que el menú MATH no está activado

8. Fijar el punto de cero voltios en el lugar deseado

9. Comprobar que el TRIGGER está intentando sincronizar el canal que estamos usando

10.Fijar el nivel de disparo en cualquier punto dentro de la forma de onda

DECÁLOGO BÁSICO PARA EL USO DEL OSCILOSCOPIO

Manejo del generador de funciones

Selección de la frecuencia

Selección de la forma de onda

Selección de la amplitud

Valor de continua (OFFSET)

Salida

tiempo

Voltios

Valor de continua (OFFSET)

Amplitud

0 Voltios

Montaje 1 a realizar:

Generador de funciones:Senoide 10V, 1kHz

VD

VR

Objetivo: observar las características reales de diferentes tipos de diodos. En concreto, su tensión de codo y su tiempo de recuperación inversa.

Diodos a utilizar:

Diodo estándar alta tensión: 1N4007

Diodo estándar de señal: 1N4148

Diodo Schottky: 11DQ10

Diodo de Germanio: AA119

Pines de un diodo:

Ánodo Cátodo

Ánodo Cátodo

Ánodo

Cátodo

Ánodo Cátodo

Patillaje de un diodo LED

Valor de una resistencia:

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

a b c T

Valor:

c10ab

En el ejemplo:

k110001010 2

T: Tolerancia

Oro ±5%

Plata ±10%

Generador de funciones:Senoide 10V, 1kHz

VD

VR

Tensión de codo real:

VG

Como se puede observar, se cumple: VR= VG-VD. Si el diodo fuese ideal y la tensión de codo fuese nula, la tensión de la resistencia sería igual a la del generador de funciones. En la realidad esto no es así y por tanto, la tensión en la resistencia será siempre menor que la del generador.

Esto se puede observar en este montaje si vemos en el osciloscopio la tensión VG y la tensión VR simultáneamente:VG

VR

VD

Realizar este montaje con todos los diodos y averiguar sus tensiones de codo

Repetir las pruebas pero esta vez utilizando una senoide de 2V

Generador de funciones:Onda Cuadrada 10V, 1kHz

VD

VR = R·ID

Tiempo de recuperación real:

VG

VR

VG

ID

Esta forma de onda es proporcional a la forma de onda de la corriente que circula por el diodo

Realizar este montaje con todos los diodos y averiguar sus tiempos de recuperación.

En cada caso, realizar las pruebas a diversas frecuencias (entre 1kHz y 1MHz)

Ideal

trr

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LOS DIODOS

VRRM IF VFtRR (ns)

1N4007

1N4148

11DQ10

AA119

1000

75

100

1 A

1 A

200 mA

En la siguiente tabla se muestran las características básicas de algunos diodos obtenidas de los catálogos suministrados por los fabricantes.

Compárense los datos obtenidos experimentalmente con los datos teóricos.

41 V

0,85 V

0,95 V 1000

<1

45 35 mA

PRÁCTICA 2

Guión:

• Montaje con diodos zener

• Obtención de curvas características de diodos

• Trabajo en modo XY del osciloscopio

• Curvas de diodos: standard, schottky, germanio, zener y LED

Montaje 1 a realizar: Limitador1k

4,3 V

5,1 V

Generador de funciones:Senoide 10V, 1kHz

VG

Objetivo: comprobar el funcionamiento de un diodo zener. Para ello, se propone el montaje de la figura con dos diodos zener en antiserie. Como se podrá comprobar con este montaje, los diodos zener van a limitar la tensión en bornes de los mismos (VZ) al valor de su tensión zener (más tensión de codo del otro diodo). Por tanto, a pesar de que la fuente de tensión proporciona 10V, los diodos van a impedir que la tensión VZ supere los 4,3 V en el semiperiodo positivo y los 5,1 V en el negativo (aprox.).

VZ

Obténganse simultáneamente en el osciloscopio las tensiones VG y VZ

DZ1: 4,3 V

DZ2: 5,1 V

Semiperiodo positivo

+

-

Zona Zener

Polarizado directamente

RDZ1

RD2

4,3 V

VD2 : 0,6 V

Ideal Real

VZVZ

Montaje 2 a realizar: Limitador

1k

5,1 V

Generador de funciones:Onda Cuadrada 10V, 1kHz

VG

Este circuito es similar al anterior aunque en este caso, la tensión utilizada tiene una forma de onda cuadrada.

VZ

Obténganse simultáneamente en el osciloscopio las tensiones VG y VZ

Obtención de la curva característica de un diodo

El osciloscopio muestra normalmente una forma de onda en la que el eje X representa tiempo y el eje Y representa voltios. Sin embargo, también puede funcionar en un modo “especial” denominado XY. En este caso, ambos ejes representan voltios con lo que la forma de onda no tiene una componente temporal. Este modo de funcionamiento es muy útil para obtener las curvas características de los semiconductores. En este montaje vamos a obtener las curvas de varios diodos para poder compararlas. X-Y

x

y

Canal 1

Canal 2

Voltios

Voltios

Las curvas características de los semiconductores se representan en ejes corriente-tensión.

Tensión

Corriente

VD

ID

Como ya sabemos, el osciloscopio únicamente representa tensión por lo que debemos implementar algún sistema para medir la corriente. El método más sencillo es mediante una resistencia ya que como también es sabido, la tensión en bornes de una resistencia es proporcional a la corriente que pasa a través de ella.

Por tanto, si colocamos una resistencia en serie con el diodo y medimos la tensión en sus bornes obtendremos una forma de onda proporcional a la forma de onda de la corriente. Evidentemente, la constante de proporcionalidad es el valor de la resistencia.

IR

VR

VR= R·IR

Montaje 3 a realizar: Curva característica del diodo

Generador de funciones:Senoide 10V, 1kHz

VGVD : Canal 1

VR : Canal 2 VR = -k·ID

Masa común !!

X-Y

VD

k·ID

Canal 1

Canal 2

ID

Hay que invertir el canal 2

!

PRÁCTICA 3

Guión:

• Corriente inversa de los diodos• Efecto de la

temperatura• Uso de un LED como fotodiodo

• Uso de un LED como célula solar

• Funcionamiento de la fuente de alimentación

Fuente de alimentaciónEste equipo tiene tres fuentes de alimentación: 1 de alterna y dos de continua. La de alterna no se utilizará en estas prácticas

Fuente de alterna

Voltímetro

Fuente 0 V-10 V Fuente ±15 V

Cursor

Selectores de visualización

Fuente de alimentaciónLas fuentes de tensión están activas PERMANENTEMENTE. Los

selectores de visualización simplemente conectan el voltímetro a una fuente o a otra para poder ver su valor de tensión. Cada una de las fuentes tiene un cursor para poder ajustar la tensión al valor deseado. Una de las fuentes puede tomar valores comprendidos entre 0 V y 10 V. La otra es una fuente simétrica y puede tomar valores entre 0 V y ±15 V.

0-10 V 0-15 V 0-15 V

Conector de seguridad conectado a la carcasa !!

+ +- -

0

Montaje 1: Corriente inversa de un diodo

El objetivo del montaje es observar la corriente inversa en un diodo real. Para ello vamos a realizar el siguiente montaje:

10 V

Fuente de tensión

100 nF R

AA119. R= 1M

1N4007. R= 10M

11DQ10. R= 10M

IS

VR = R·IS

Como se puede observar, el diodo está polarizado inversamente y por tanto, la corriente que circulará a través de él será únicamente la corriente de polarización inversa (IS).

Como es sabido, esta corriente es muy pequeña y por tanto, la resistencia a utilizar para poder observar un valor de tensión razonable debe tener un valor bastante grande (M).

El condensador de 100 nF en paralelo se utiliza para filtrar ruidos captados por el montaje y que no se atenúan debidos al elevado valor de la resistencia.

Montaje 2: Efecto de la temperatura sobre la corriente inversa

Objetivo: Con este montaje se pretende ver cómo influyen los cambios de temperatura en la corriente de polarización inversa de varios diodos.

Para ello utilizaremos el montaje anterior y calentaremos el diodo acercándole una fuente de calor. En este caso, utilizaremos una resistencia de potencia conectada directamente a una fuente de tensión. La potencia eléctrica disipada en la resistencia se convierte en calor.

10 V

Fuente de tensión 1

100 nFR

AA119. R= 1M

1N4007. R= 10M

11DQ10. R= 10M

IS

VR = R·IS

Diodos

5 V

Fuente de tensión 210

Montaje 3: Funcionamiento de un LED como fotodiodo

10 V

Fuente de tensión 1

100 nF

R

3 V

Fuente de tensión 2

Bombilla

LED

Objetivo: Con este montaje se pretende observar una característica peculiar de los diodos LED. Estos son diodos emisores de luz; sin embargo, al haber un camino directo entre el exterior (iluminado) y el material semiconductor, se produce un efecto curioso que es el funcionamiento del LED como fotodiodo.

Al realizar el montaje de la figura observaremos que al acercar la bombilla al LED la tensión en la resistencia aumenta. Esto es debido a que el LED se muestra sensible a la luz y su corriente inversa aumenta.

Montaje 4: Funcionamiento de un LED como célula solar

3 V

Fuente de tensión

Bombilla

LED

VR

Objetivo: Con este montaje se pretende observar el comportamiento “simétrico al anterior”, es decir, el funcionamiento como célula solar. En este caso, observaremos cómo al iluminar el LED éste se convierte en un GENERADOR de energía.

Al iluminarlo con la bombilla podremos observar una cierta tensión en bornes de la resistencia. Nótese que en la parte izquierda del circuito de la figura no hay absolutamente ninguna fuente de energía y sin embargo, aparece una tensión en bornes de la resistencia.

PRÁCTICA 4

Guión:

• Montajes con transistores bipolares

• Uso como amplificador del transistor

Montaje 1: Conexión directa de una bombilla al generador de funciones

Generador de funciones

Forma de onda: Cuadrada, 10 V, 2Hz

Al realizar el montaje anterior observaremos como a pesar de que el generador en vacío da la forma de onda adecuada, al conectarle la bombilla, ésta no se enciende. ¿Por qué?

La clave está en la impedancia de salida del generador. Cualquier fuente real tiene una impedancia de salida. Idealmente esta impedancia debería ser nula, lo cual en la práctica es imposible. En este caso, la impedancia del generador es de 50 . La bombilla tiene un equivalente resistivo de unos 7 (en caliente). Si hacemos el cálculo veremos que la tensión en bornes de la bombilla es del orden de 1 V, lo cual no es suficiente para conseguir que luzca.

10 V

50 7

1 V

Montaje 2: Amplificación de la señal obtenida del generador

Objetivo: Conseguir encender y apagar una bombilla al ritmo que marca el generador de funciones.

Como hemos visto, no podemos conseguir este efecto conectando directamente la bombilla al generador. Por tanto, debemos amplificar la señal que sale del mismo. Para ello utilizaremos el montaje que se muestra en la figura. En este circuito, la señal del generador, que entra por la base del transistor es amplificada por éste.

Forma de onda: Cuadrada, 10 V, 2Hz

100

3.6 V

Fuente de tensión

BD 139

Montaje 3: Transmisión de información por medios ópticos

Objetivo: Conseguir mandar información digital entre dos circuitos utilizando la luz.

Actualmente se está utilizando de forma muy extendida la fibra óptica para transmitir información digital mediante la luz. Con este montaje se pretende enviar información utilizando la luz mediante un circuito de transmisión muy rudimentario. Aprovecharemos el efecto visto en la práctica anterior y utilizaremos un LED como fotodiodo.

Forma de onda: Cuadrada, 10 V, 2Hz

100

10 V

Fuente de tensión 2

BD 139

3.6 V

Fuente de tensión 1

10 k

100 k

BD 138

PRÁCTICA 5

Guión:

• Montajes con transistores bipolares

• Operación en zona activa

Montaje 1: Transistor bipolar en zona activa

Objetivo: Situar el punto de polarización de un transistor en zona activa.

Para ello vamos a montar el circuito de la figura. Como se puede observar, el transistor tiene en colector una carga fija con lo que simplemente cambiando la corriente de base debe ser posible hacer que opere en zona activa. Esto se logra actuando sobre el potenciómetro del circuito de base.

Fuente de tensión

10 V

1k

10 k

470 k

VCE

IB

VCE

IC

IB1

IB2

IB3

Saturación

Zona Activa

Recta de carga

(es fija en este caso)

10V/1k

10V

Cambiando el valor de la corriente de base podemos pasar de saturación a zona activa

Transistor bipolar en zona activa

10V

1k

IC

10V

10 k470 kIB

RPOT

:

k10R

10I

POTB

Montaje 2: Paso de saturación a zona activa

100k100nF

10k

10V

T2: BD139

T1: BD138

Objetivo: Conseguir que un transistor bipolar pase alternativamente de saturación a zona activa.

Como se puede observar, el transistor T1 tiene una corriente de base fija (10V/100k). Sin embargo, tiene en el colector un condensador que irá cambiando de tensión. T2 tiene ese mismo condensador en colector y su corriente de base la controlaremos mediante el generador de funciones.

Forma de onda cuadrada. 1kHz, Tensión variable

VG

V1

Mostrar simultáneamente en el osciloscopio las tensiones V1 y VG

PRÁCTICA 6

Guión:

• Montajes con transistores bipolares

• Circuitos para mejorar la conmutación

• Construcción de una célula de memoria

Montaje 1: Conmutación de un transistor bipolar

5V, 20 kHz

1N4148

10k

1k

5V

Objetivo: Comprobar cómo el manejo de la corriente de base es crítico en la conmutación del transistor. Se realizarán 4 montajes para comprobar como diferentes circuitos de base obtienen diferentes comportamientos.

El circuito menos eficiente es el que se muestra en la siguiente figura. En este caso, el diodo impide que haya corriente saliente por la base del transistor, lo que equivale a dejarla al aire.

Observar simultáneamente las tensiones V1 y VCE para ver el retraso entre la orden de corte dada por el generador y el corte efectivo de la corriente de colector.

VCE

V1

Formas de onda del circuito

VCE

V1

5 V

5 V

Retraso

Saturación Saturación

Corte

Idealmente el transistor dejaría de conducir en este punto

Sin embargo, el transistor no reacciona hasta este instante

Instante en el que el bipolar entra en corte

Montaje 2: Conmutación de un transistor bipolar

5V, 20 kHz

10k

1k

5V

Con este circuito se permite la circulación de corriente negativa por la base del transistor. Esto facilita la extracción de portadores minoritarios de la base y por tanto agiliza la conmutación de conducción a corte.

VCE

V1

Montaje 3: Mejora de la conmutación de un transistor bipolar

0-5V, 20 kHz

4.7k

1k

5V

4.7k

4.7nF

VCE

V1

En este circuito se ha añadido un condensador en el circuito de base con el fin de imponer una tensión negativa en la unión base-emisor en el momento del corte. De esta forma se facilita la polarización inversa de la unión y por tanto el corte se produce más rápidamente. Este circuito es interesante cuando no se dispone de una tensión negativa para el manejo del transistor.

Montaje 3: Mejora de la conmutación de un transistor bipolar. Antisaturación

5V, 20 kHz

10k

1k

5V

AA119

El circuito que se muestra en la figura es un circuito de anti-saturación. El diodo de germanio colocado en paralelo con la unión colector-base hace que el transistor no pueda en ningún caso trabajar en una zona de fuerte saturación, ya que lo impide el bajo valor de la tensión de codo del diodo de germanio (menor que la tensión de codo de las uniones de silicio). De esta forma, al no estar el transistor totalmente saturado, la salida de conducción es mucho más rápida.

VCE

V1

Montaje 4: Célula de memoria construida a base de transistores.

Objetivo: Construir una célula de memoria utilizando transistores bipolares.

Dado que el transistor bipolar puede operar en distintas zonas, es posible construir una célula de memoria que mantenga un bit de información o, lo que es lo mismo, que pueda permanecer en saturación o corte de forma indefinida. Cada uno de estos dos estados simbolizará un “1” lógico o un “0” lógico.

1k 1k10k

10k

10 V

“0” lógico “1”

lógico

Actuadores para grabar un “1” o un “0”: Cortocircuitando el contacto grabamos la información. Aunque soltemos el actuador, la información se mantiene: MEMORIA.

PRÁCTICA 7

Guión:

• Montajes con MOSFET

• Manejo de la puerta de un MOSFET

• Driver para MOSFETs

• Inversor digital con tecnología MOSFET

Montaje 1: Manejo de la puerta de un MOSFET

Objetivo: Ver como el manejo de la tensión puerta-fuente de un MOSFET afecta significativamente a su funcionamiento.

Para ello, enviaremos pulsos a la puerta del MOSFET desde el generador de funciones, interponiendo entre ambos un potenciómetro. Al observar simultáneamente los pulsos del generador y la tensión drenador-fuente veremos como al aumentar la resistencia se deteriora la conmutación del MOSFET. Si a continuación colocamos un condensador en paralelo con la puerta, veremos como la conmutación empeora aún más.

15 V10 V, 5kHz

1k

1k

VDS

VG

15 V10 V, 5kHz

1k

1k VDS

VG

10nF

Montaje 2: Driver para un MOSFET

15 V

10 V, 5kHz

1k1

k VDS

VG

10nF

BD138

BD139

15 V

Objetivo: Montar un circuito que consiga manejar eficientemente la puerta del MOSFET (driver).

Para ello se monta un circuito con transistores bipolares como el de la figura (etapa complementaria). Este driver amplifica la corriente de la señal del generador consiguiendo cargar y descargar la capacidad de puerta del MOSFET adecuadamente.

VD

Montaje 3: Inversor digital con tecnología MOSFET

Objetivo: Construir un circuito inversor con transistores MOSFET.

VGVS

8 V –12 V

Canal P

Canal N

0-10 V, 2 kHz

Obsérvese como la tensión de salida VS está invertida respecto a VG. Además, podemos variar la tensión de la fuente y observar el efecto sobre VS