Trabajo Práctico Nº 2

Universidad Tecnolgica Nacional

Facultad Regional Mendoza

Esteban Bern

Dispositivos Electrnicos

< TEMA 2 >

Problema 2

Describa con sus propias palabras las caractersticas de un diodo ideal y como se determinan los estados de encendido y apagado del dispositivo. Es decir, describa porque son adecuados los equivalentes de circuito cerrado y de circuito abierto.

Problema 7

Con sus propias palabras, defina un material intrnseco, con un coeficiente de

temperatura negativo y un enlace covalente.

Problema 10

Si se requieren 48eV de energa para mover una carga a travs de una diferencia de potencial de 12V, determine la carga involucrada.

Solucin

CV

eVVWQQ

WV eC

1919

104,612

106,148

=

===

Solucin

El material intrnseco es aquel que tiene una muy baja concentracin de impurezas, idealmente un semiconductor intrnseco seria un material

totalmente libre de impurezas. Esto es imposible en la prctica pero con las tcnicas actuales se pueden lograr niveles de impurezas muy bajos (1 en 1013). Un enlace covalente es una unin qumica entre dos tomos mediante dos electrones compartidos de cada tomo. De esta forma completan su ltimo nivel de energa y as el compuesto es ms estable.

Los materiales semiconductores se dice que poseen un coeficiente de temperatura negativo ya que al aumentar la temperatura la resistencia elctrica de ellos disminuye, a diferencia de la mayora de los materiales en los cuales la resistencia aumenta con la temperatura. Esto se debe que al aumentar la temperatura se rompen los enlaces covalentes dejando libres

varios electrones en la capa de conduccin. En los semiconductores este efecto es mucho ms significativo que la vibracin de los tomos, que es un fenmeno que aumenta la temperatura.

Solucin

El diodo ideal acta como un circuito cerrado cuando se lo polariza en

directo (de modo que la corriente convencional circula en direccin de la flecha del smbolo de diodo) y se comporta como un circuito cerrado al polarizarlo en forma inversa. Este modelo es adecuado para ciertos clculos ya que aunque el diodo no es exactamente un circuito cerrado al ser polarizado en forma directa, la corriente aumenta en forma exponencial al aumentar a tensin en sus

bornes. De igual forma al polarizarlo en forma inversa circula corriente por el diodo pero esta es tan pequea que puede considerarse al diodo como un circuito abierto en la mayora de los casos



Esteban Bern


Problema 12

Describa las diferencias entre los materiales semiconductores tipo n y tipo p

Problema 20

Utilizando la ecuacin 1.4 determine la corriente de diodo a 20C para el caso de un diodo de silicio con IS = 50nA y una polarizacin directa de 0,6V

Problema 22

Utilizando la ecuacin 1.4 determine la corriente de diodo a 20C para el caso de un diodo de silicio con IS = 0,1A bajo un potencial de polarizacin inversa de -10V. El resultado es el esperado? Por que?

Problema 24

En la regin de polarizacin inversa, la corriente de saturacin de un diodo de silicio es cercana a 0,1A (T= 20C). Determine su valor aproximado si la temperatura se incrementa a 40C.

Solucin

La diferencia entre los materiales tipo p y tipo n es el tipo de impureza con el cual se a dopado al semiconductor intrnseco. Los materiales tipo n se han dopado con elementos pentavalentes (5 electrones en su ultimo

orbital) por lo cual queda un electrn libre (sin enlace covalente). Por esta razn el principal portador de la corriente elctrica en este material es el electrn. Los materiales tipo p en cambio son dopados con elementos del tercer grupo (3 electrones en su ultimo orbital) por esta razn queda un enlace incompleto, falta un electrn. A este falta de electrn se le llama hueco y es

el principal portador de la corriente elctrica en los semiconductores tipo p.

Solucin ( ) ( )KTk

ecuacioneII

K

TkVSD

KD

2932732058002

116004.11

=+===

=

Solucin

( ) AeAIKTk

KD

K

1,011,0

2932732058002

11600

293105800==

=+===

Es el resultado esperado (IS) ya que al polarizarlo en forma inversa circula por el diodo la corriente inversa de saturacin (la exponencial de la formula tiende a 0)

Solucin ( ) ( )

( ) mAenAIKTk

ecuacioneII

KVD

K

TkVSD

KD

2,7150

2932732058002

116004.11

2936,05800==

=+===

=



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Problema 31

Calcule la resistencia de AC y de DC para el diodo de la figura 1.34 bajo una corriente

de 10mA y compare sus magnitudes.

Problema 36

Encuentre un circuito equivalente de segmentos lineales para el diodo de la figura 1.19. Utilice un segmento de lnea recta que cruce el eje horizontal en el valor 0,7V y que mejor se aproxime a la curva para la regin mayor que 0,7V.

Problema 41

Para el diodo de la figura 1.41, determine el nivel de IR a temperatura ambiente (25C)

y a temperatura de ebullicin del agua (100). El cambio es importante? Prcticamente se duplica el nivel por cada incremento de 10C en la temperatura.

Problema 43

Utilizando las caractersticas de la figura 1.41, determine los niveles mximos de disipacin de potencia del diodo a temperatura ambiente (25C) y para 100C. En el supuesto de que VF permaneciera fijo en 0,7V como cambio el nivel mximo de IF entre los dos niveles de temperatura.

Solucin

( )( ) nAI

nAI

R

R

806,0

100

25

=

=

Es un cambio importante ya que la corriente aumento ms de130 veces. La corriente se duplica cada aproximadamente 10C

Solucin

==

=

====

52,910

2,021021

2,07,09,0

mAV

IV

r

mAmAmAIVVVV

D

Dd

D

D

Solucin

2,155

76

510

05,010515

05,073,078,0

7610

76,0

=

=

==

=

====

===

d

D

D

Dd

D

D

D

DD

r

RmA

VIV

r

mAmAmAIVVVV

mAV

IVR

La resistencia en DC es 15,2 veces mayor que la resistencia en AC para 10mA de corriente



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Problema 45

Utilizando como referencia la figura 1.42, determine la capacitancia de transicin para un potencial de polarizacin inverso de -25 y -10V. a) Cul es el radio del cambio en la capacitancia para el cambio del voltaje?

b) Repita el inciso (a) para potenciales de polarizacin inversos de -10 y -1V. Determine la proporcin de cambio en la capacitancia al cambio de voltaje. c) Cmo se comportan las proporciones determinadas en los incisos (a) y (b)? Qu indica esto sobre cual rango tendr mas reas de aplicacin practica?

Problema 49

Dibuje la forma de onda para i en la red de la figura 1.70 si tt=2tS y el tiempo inverso total de recuperacin es de 9ns

Solucin

( )( )( ) pFC

pFCpFC

VT

VT

VT

32,18,0

1

10

25

=

=

=

a) VpF0267,0

25108,02,1

=

+

b) VpF244,0

1018,03

=

+

c) Con bajas tensiones inversas la capacitancia de transicin tiene ms

variacin. Por esta razn los rangos ms altos de tensin inversa tendrn mas aplicacin prctica.

Solucin

nsnst

t

ttt

ttt

tt

rrs

rrss

rrst

st

33

93

2

2

===

=+

=+

=

mAkVI

mAkVI

R

F

5,010

5

11010

=

=

=

=

Solucin

( )( ) mWP

mWP

D

D

250500

100

25

=

=

Para un VF fijo el nivel mximo de IF cae a la mitad



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Problema 4

a) Empleando las caractersticas aproximadas del diodo de Si, determine el nivel

de VD, ID, VR para el circuito de la figura 2.151 b) Desarrolle el mismo anlisis del inciso (a) utilizando el modelo ideal del diodo c) Los resultados obtenidos en los incisos (a) y (b) sugieren que el modelo ideal

puede proporcionar una buena aproximacin?

Problema 8

Determine V0 e ID para las redes de la figura 2.155

Solucin

a)

VkmARIV

mAkkVVI

VkmARIEkR

D

D

S

518,72,1265,6

265,62,12,27,022

222,2102,2

0 ===

=

+

=

==== b)

VkmAVV

mAk

VID

3,48,6574,320

574,38,6

7,025

0 ==

=

=

Solucin

a)

mAk

VVI

VV

D

D

318,132,2

7,0307,0

=

=

=

b)

mAkVI

VV

D

D

636,132,2

307,0

=

=

=

c) Si, esto se debe a que la cada de tensin en el diodo es despreciable (en este caso) en relacin a la tensin de la fuente



Esteban Bern


Problema 9

Determine V01 y V02 para las redes de la figura 2.156

Problema 11

Determine V0 e I para las redes de la figura 1.158

Solucin

a)

mAk

VI

VVVV

7,91

7,97,93,0100

=

=

==

b)

mAk

VVI

VVVVV

55,07,4

126,146,147,07,0160

=

=

==

Solucin

a)

VVVVVV

3,03,117,012

02

01

=

==

b)

VkmARIV

mAkk

VVVI

VVVVV

D

D

6,63,32

23,32,1

7,03,01097,03,010

02

01

===

=

+++

=

=++=



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Problema 18

Determine V0 para la compuerta OR de lgica negativa de la figura 1.161

Problema 19

Determine V0 para la compuerta AND de lgica negativa de la figura 1.162

Problema 26

Para la red de la figura 2.168, dibuje v0 e iR

Solucin

V0

Vkk

kVV ip 09,91101010 =

+

=

IR

( )

( ) mAkVI

mAk

VI

InvR

DirR

91,01110

3,91

7,010

=

=

=

=

Solucin

VV 7,00 =

Solucin

VVVV 3,47,050 =+=



Esteban Bern


Problema 27

Dado Pmax= 14mW para cada diodo de la figura 2.169, determine el valor nominal

mximo de la corriente de cada diodo (usando el modelo equivalente aproximado) Determine Imax cuando Vi max=160V Determine la corriente de cada diodo a Vi max usando los resultados del inciso (b) Si solo un diodo estuviera presente, determine la corriente del diodo y comprela con el valor nominal mximo

Problema 28

Un rectificador de onda completa tipo puente con una entrada senoidal de 120Vrms tiene una resistencia de carga de 1k. Si se emplean diodos de silicio, Cul es el voltaje de DC disponible en la carga? Determine el valor de PIV requerido para cada diodo.

Encuentre la corriente mxima a travs de cada diodo durante la conduccin Cul es el valor nominal de potencia requerida para cada diodo?

Solucin

mWmAVP

mAk

VI

VV

VVV

VVVVV

PIV

L

picoL

P

81,1173,1987,0

3,1681

3,1683,1197,0120

11923,168

3,1687,07,07,1697,1692120

max

max

)(

==

=

=

==

==

==

==

Solucin

mAmAI

mAk

VVI

R

mAV

mWVP

I

mWP

D

eq

Tnom

355,182

71,36

71,3634,4

7,016034,4

207,0

1414

max

maxmax

max

==

=

=

=

===

=

(Solo si ambos diodos tuvieran exactamente la misma VT)

Si solo hubiera un diodo circulara los 36,71mA por el diodo superando su valor nominal mximo (20mA) daando el diodo



Esteban Bern


Problema 31

Dibuje v0 para la red de la figura 2.172 y determine el voltaje disponible.

Problema 33

Determine v0 para cada red de la figura 2.174 para la entrada mostrada

Solucin

a)

VkmARIVmAkkVVI 29,32,174,274,2

2,12,27,010

0 ====+

=

b)

VkmARIVmAk

VVVI

VVVVV

3,42,191,091,07,4

57,0103,47,0510

0

0

====

=

==

Solucin

VVkk

kV 67,561702,21,1

1,10 =+

=



Esteban Bern


Problema 36

Dibuje iR y v0 para la red de la figura 2.177 para la entrada mostrada.

Problema 37

Dibuje v0 para cada red de la figura 2.178 para la entrada mostrada.

Problema 39

Para la red de la figura 2.180 Calcule 5. Compare 5 con la mitad del periodo de la seal aplicada.

Dibuje v0.

Solucin

Solucin

mAk

VVI

mAk

VVI

VVVVVVVV

mim

210

810

410

61083,77,0

63,57,0

min

max

0

max0

=

+

=

=

=

==

=+=



Esteban Bern


Problema 50 (Unidad 1)

Se detallan las siguientes caractersticas para un diodo Zener particular: VZ=29V, VR=16.8V, IZT=10mA, IR=20A e IZM=40mA. Trace la curva caracterstica de la misma forma que se hizo anteriormente.

Solucin

a)

msms

msFkRC286,555

6,51,056==

===

b)

565,0285

5,011

11

2

2

==

====

msmsrelacion

msmskHzfT

T

T

c)



Esteban Bern


Problema 42

a) Determine VL, IL, IZ e IR para la red de la figura 2.183 si RL=180.

b) Repita el inciso (a) si RL=470. c) Determine el valor de RL que establecer las condiciones de potencia mxima

del diodo Zener d) Determine el valor mnimo de RL para asegurar que el diodo Zener se encuentra

en el estado de encendido

Solucin

a)

VVV 9180220

18020=

+

=

Este valor es menor a VZ por lo tanto el diodo se encuentra apagado

AI

mAVII

Z

LR

0

50180220

20

=

=

+==

b)

VVV 62,13470220

47020=

+

=

Este valor es mayor a 10V por lo tanto el diodo se encuentra ON

mAIII

mAVI

mAVVI

VV

LRZ

L

R

L

17,24

28,2147010

45,45220

102010

==

=

=

=

=

=

c)

=

=

=

=

===

kmAmA

VII

VR

III

mAVmW

VPI

ZR

ZL

ZRL

ZZ

834,14045,45

10

4010

400

max

max

maxmax

d)

=

=

=+

=

220102010220

min VVV

VVVRR

RRVRV

Zi

ZL

L

iLZ



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Problema 15

Cuales son las diferencias esenciales entre un diodo de unin semiconductor y un

diodo tnel

Problema 18

Determine la resistencia negativa para el diodo de tnel de la figura 19.13 entre VT=0,1V y VT=0,3V

Problema 19

Determine los puntos de operacin estable para la red de la figura 19.17 si E=2V, R=0,39k y se utiliza el diodo tnel de la figura 19.13. Utilice los valores tpicos de la tabla 19.1

Problema 3

En referencia al a figura 19.5, Cmo se relaciona la corriente pico mxima IFSM con la corriente directa rectificada promedio? Es por lo general 20:1? Por que es posible tener tales niveles altos de corriente? Qu diferencia notable existe en la construccin a medida que el nivel de corriente se incrementa?

Solucin

Solo hay un punto estable de operacin ya que intercepta la curva del diodo en un solo punto.

mAIVV

T

T

6,29,0

=

=

Solucin

La corriente de pico mxima es siempre mucho mayor que la corriente rectificada promedio, por lo general mas 20 veces mayor.

Solucin

=

=

==

==

14,575,521,03,0

23,05,51,0

mAmAVVR

mAIVVmAIVV

T

T

Solucin

El diodo tnel se obtiene mediante el dopaje de materiales semiconductores dando lugar a uniones p-n a un nivel de varios de cientos o miles de veces mayor que los niveles de dopaje de los diodos semiconductor tpico.

La principal diferencia es que posee una zona de resistencia negativa, esto significa que para un aumento de tensin en los terminales la corriente disminuir. Los alto niveles de dopaje producen una zona de agotamiento muy angosta y de esta forma le permite a los portadores atravesar la zona de agotamiento como un tunel en lugar de intentar superar el potencial y

debido a este efecto se produce el pico de corriente a bajos potenciales.



Esteban Bern


Problema 5

Para la curva de la figura 19.6b denotada como 2900/2303, determine el cambio

porcentual en IR para un cambio en el voltaje inverso de 5 a 10V. A que voltaje inverso esperara que se alcance una corriente inversa de 1A? Observe la escala logartmica para IR

Problema 7

a) Determine la capacitancia de transicin de un diodo varicap de unin por difusin a un potencial inverso de 4.2V si C(0)=80pF y VT=0,7V.

b) De la informacin del inciso (a), determine la constante k de la ecuacin 19.2 Problema 8

a) Para un diodo varicap que cuenta con las caractersticas de la figura 19.7, determine la diferencia en capacitancia entre los potenciales de polarizacin inversa de -3 y -12V.

b) Determine la razon incremental de cambio (C/Vr) cuando v=-8V. Como se compara este valor con el cambio incremental determinado a -2V.

Solucin

nAnAVV13060

105

( ) %6,11610060

60130% ==nA

nAnAI R

A aproximadamente 25V la corriente inversa llegara a 1A

Trabajo Práctico Nº 2

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