Practica 1

Resumen: Atreves de esta práctica se plantea estudiar el comportamiento de los diodos llevando de una estructura teórica a la práctica, analizaremos el comportamientos de estos mismos con diferentes clases de circuitos para poder establecer las ventajas y aplicaciones que puede beneficiar a la hora de trabajar modelando circuitos y principalmente los diodos, para esto se utilizaran técnicas algebraicas para solucionar los problemas y así comparar los resultados teóricos y prácticos. Utilizando diferentes tipos de herramientas tales como (Dip switches, resistencias, diodos, generador de señales, fuente DC, osciloscopio, Protoboards etc.) así evaluaremos las respuestas de estos mismos.

Palabras claves: Diodo, corriente directa, corriente alterna, polarización directa, polarización inversa.

I. MARCO TEORICO

los mejores conductores por excelencia, plata , cobre y oro tienen un electrón de valencia , mientas que los mejores aislantes tienen ocho electrones de valencia, un conductor es un elemento con propiedades eléctricas entre un conductor y un aislante y como es lógico los mejores semiconductores tienen 4 electrones de valencia los más utilizados son el silicio el germanio. Una de las desventajas que presenta el germanio es su excesiva corriente inversa, entonces fue cuando se empezó a utilizar el cilicio y hasta hoy esta presente en la mayoría de las aplicaciones electrónica. La zona compuesta entre p (huecos) y n (electrones libres) se le conoce como unión pn esta unión tiene tantas propiedades útiles como por ejemplo el diodo, comprender esta unión pn le permitirá entender todo sobre los dispositivos semiconductores.El diodo puede ser conectado con 2 polaridades diferentes directa o inversa, la polarización directa esta presente en un diodo cuando el ánodo es mayor que el cátodo, el circuito se comporta junto con el diodo como un corto circuito.Al momento de estar en polarización inversa la tensión será aproximada a cero.La corriente inversa total de un diodo consta de una corriente de portadores minoritarios y una corriente superficial de fugas. El valor en el que el diodo empieza a conducir cuando está conectado en directa es 0.7. Y en el caso de un diodo polarizado en inversa su corriente es igual a 0.

II. PREGUNTAS INICIALES.

1. Describa el comportamiento de un diodo en polarización directa e inversa teniendo en cuenta los flujos de corriente y su resistencia equivalente en cada caso.

- El diodo es un dispositivo formado por materiales semiconductores el cual permite el paso de una corriente eléctrica en una sola dirección, comportándose idealmente como una especie de switch accionado por la dirección del flujo de la corriente que pasa por este teniendo en cuenta la polarización en la que se encuentra.

- Un diodo en polarización directa presenta un mayor voltaje en el ánodo que en el cátodo, induciendo al diodo a tener un comportamiento de corto circuito Tal y como se ilustra en la figura 1, sin embargo, la unión pn exhibe una caída de voltaje debido a su resistencia óhmica

- Un diodo en polarización inversa el voltaje del ánodo es menor que el del cátodo comportándose como un circuito abierto (la corriente a través de él es prácticamente nula)

Figura.1 funcionamiento de un diodo: A) en polarización directa. B) en polarización inversa.

2. ¿Qué parámetros determinan la resistencia limitadora

que se conecta en serie con la fuente de alimentación para circuitos con diodos? ¿Siempre es necesario colocarla? Justifique su respuesta.

Estudio de las características del Diodo de unión PN

1

Practica 1

- La resistencia limitadora se encarga de mantener en el margen de operación la corriente que circula a través del diodo, esto permite no sobrepasar el valor de potencia máximo que soporta el dispositivo y dañarlo o deteriorarlo, para su selección es necesario conocer el valor de corriente máxima que circulará por el Diodo, la tensión de alimentación del circuito, esto para poder realizar los cálculos de valor de resistencia (Vs/I) y de potencia del resistor (Pr=VrI). Por tal motivo es siempre recomendable colocar una resistencia limitadora antes del diodo.

Figura.2 Esquema de un Diodo

3. ¿Qué se entiende por tiempo de recuperación inversa en los diodos? ¿En qué puede afectar el comportamiento de un circuito con diodos dicho tiempo?

- El tiempo de recuperación inversa corresponde al tiempo que le toma a los portadores de carga de una unión p-n reacomodarse luego de una polarización directa, para obtener el comportamiento característico en la polarización inversa. Esto plantea que no se puede anular instantáneamente el valor de corriente por un diodo hasta que ocurra este reordenamiento.

Esto puede afectar principalmente aquellos circuitos donde el diodo se utiliza para bloquear señales en un sentido (interruptores), ya que si el cambio en la señal es más rápido que el cambio de región en el diodo entonces existirá conducción siempre. Este parámetro oscila entre 30uS – 4 nS para el diodo 1N4007 y 1N4148 respectivamente.

4. Investigue el funcionamiento de un DIP switch y diga que ventajas ofrece en la implementación de un circuito.

- Los DIP switch son interruptores eléctricos manuales empaquetados en grupos de 2, 4 ,8 y 16 y cuya arquitectura se basa en la DIP (doble línea de pines), su pequeño tamaño y disposición permite su uso en

protoboards y entrenadores permitiendo alterar el comportamiento del circuito según sea necesario. Su ventaja es permitir en un solo montaje switches diversos montados en la misma placa sin que estos tengan que estar unidos por cables que son engorrosos para manejar y afectan la estética del circuito.

Figura. 3. Tipos de DIP switch

III. PROCEDIMIENTO, DATOS y ANÁLISIS.

Parte A.

- Procedimiento: Para el reconocimiento del diodo lo observamos, identificando el ánodo y el cátodo basándonos en el símbolo del dispositivo y en la señalización que posee el encapsulado. Fue necesario ayudarnos de la hoja del fabricante, de la guía de laboratorio y del multímetro.

- Análisis: Para identificar físicamente el cátodo, vemos en el diodo una banda de color negro, y para identificarlo en los esquemas se hace como se ilustra:

Figura.4 tipos de diodos

- Análisis con el voltímetro: lo primero que se hace es ubicar la perilla del multímetros donde se encuentra el símbolo del diodo, luego colocamos la punta positiva en un extremo del diodo y la negativa en el

2

Practica 1

otro extremo. Si la pantalla registra un cambio entonces es porque la punta positiva indica en ánodo y por lo tanto la otra el cátodo.

Figura.5. Método para medir en el diodo con multímetro.

Parte B.

- Procedimiento: Se verificó en la hoja de datos la máxima corriente que soporta el diodo en polarización directa,

Imax (1N4148) = 200mAImax (1N4007) = 1A

Figura 6. Diagrama esquemático No.1.

Después se realizo el montaje indicado en la Figura 6 empleando un valor de resistencia de 270Ω (1W de disipación máxima de potencia)

Figura 7. Montaje General.

Comenzando con una tensión de 0.05 v en la fuente e incrementándola gradualmente en 0.05 v hasta llegar a 0.8 v en el diodo, se tomaron los datos para el diodo 1N4148, que se muestran en la siguiente tabla.

voltaje fuente

voltaje Resistencia

voltaje Diodo

Corriente (mA)

0,05 0 0,05 00,1 0 0,1 00,15 0 0,15 00,2 0 0,2 00,25 0 0,25 00,3 0 0,3 00,35 0 0,35 00,4 0 0,4 0,030,46 0,012 0,45 0,070,53 0,093 0,5 0,160,64 0,093 0,55 0,40,831 0,234 0,6 1,011,3 0,64 0,65 2,472,22 1,15 0,7 5,713,64 2,9 0,75 10,86,51 5,71 0,8 21,17

Tabla 1. Polarización directa diodo 1N4148

Posteriormente se realizó una gráfica de Voltaje vs Corriente en el diodo 1N4148, obteniendo la siguiente:

3

Practica 1

Figura 8. Grafica del diodo 1N4148 en polarización directa.

Más adelante manteniendo el mismo circuito se cambió el diodo 1N4148 por el diodo 1N4007 y se comenzó a tomar datos desde una tensión de 0.05V en la fuente hasta llegar a una de 0.8V con incremento de 0.05V, los cuales se encuentran en la siguiente tabla:

Voltaje fuente

Voltaje Resistencia

Voltaje Diodo

Corriente (mA)

0,05 0 0,05 00,1 0 0,1 00,15 0 0,15 00,2 0 0,2 00,25 0 0,25 00,3 0,001 0,3 0,010,34 0,001 0,34 0,020,407 0,005 0,4 0,040,463 0,016 0,45 0,080,546 0,05 0,5 0,20,68 0,13 0,55 0,520,97 0,38 0,6 1,411,78 1,13 0,65 4,23,77 3,07 0,7 11,4210,5 9,77 0,75 36,3533,43 32,52 0,8 121,34

Tabla 2. Polarización directa diodo 1N4007.

Seguidamente se realizó una gráfica de Voltaje vs Corriente en el diodo 1N4007, dando como resultado:

Figura 9. Gráfica del diodo 1N4007 en polarización directa.

Se observa que tanto para el diodo (1N4148) y el diodo (1N4007) el comportamiento es bastante similar. Hasta cierto valor de tensión, la corriente que pasa por el diodo es muy baja, y solo a partir del voltaje de arranque la corriente empieza a ser significativa. A partir de lo aprendido en clase podríamos decir que este es el voltaje de arranque, desde del cual el diodo empieza a conducir corriente. En las gráficas realizadas con base en las tablas podemos notar este voltaje de conducción entre 0.39V a 0.489V para el diodo 1N4148 y entre 0.399 a 0.478para el 1N4007. Además vemos, a partir de las gráficas en Excel, que el comportamiento de la tensión vs corriente en el diodo es exponencial.

Parte C.- Procedimiento: Inicialmente se consultó en la hoja

de datos del fabricante el voltaje de ruptura de los diodos manejados en esta práctica y la potencia máxima disipada por cada uno de los diodos.

-VR (1N4148) = 75 VVR (1N4007) = 1 kVPmax (1N4148) = 500 mWPmax (1N4007) = 3 W

Figura 10. Diagrama esquemático No.2

Posteriormente se realizó el montaje del circuito indicado en la Figura 8, el cual corresponde a polarización inversa para ambos diodos (1N4148, 1N4007), empleando la misma resistencia de 270Ω (1W).

4

Practica 1

Se encendió la fuente y se tomaron valores de voltaje en el diodo y corriente del circuito para valores de la fuente desde 0V hasta 60V con incremento de 5V.

Con la toma de datos se obtuvo la siguiente tabla:

Voltaje fuente

Voltaje Resistencia

voltaje Diodo

Corriente (mA)

0 0 0 05 0 5 0,0110 0 10 0,0115 0 15 0,0120 0 20 0,0125 0 25 0,0130 0 30 0,0135 0 35 0,0140 0 40 0,0145 0 45 0,0150 0 50 0,0155 0 55 0,0160 0 60 0,01

Tabla 3. Polarización inversa diodo 1N4148.

Figura 11. Gráfica del diodo 1N4148 en polarización inversa.

La figura 11 relaciona la tensión con la corriente del diodo 1N4148 en polarización inversa según la tabla 3, no se observa un cambio en la corriente, y no se alcanza la tensión de ruptura de este diodo.

Voltaje fuente

Voltaje Resistencia

Voltaje Diodo

Corriente (mA)

0 0 0 05 0 5 0,0110 0 10 0,0115 0 15 0,0120 0 20 0,0125 0 25 0,0130 0 30 0,0135 0 35 0,0140 0 40 0,0145 0 45 0,0150 0 50 0,0155 0 55 0,0160 0 60 0,01Tabla 4. Polarización inversa diodo 1N4007.

Figura 12. Gráfica del diodo 1N4007 en polarización inversa.

La figura 12 relaciona la tensión con la corriente del diodo 1N4007 en polarización inversa según la tabla 4, los resultados son similares al del diodo 1N4148 debido a que este no se encuentra en polarización directa y no alcanzan la tensión de ruptura.

Podemos notar en las tablas 3 y 4 que los dos diodos tienen comportamientos similares ya que en ambos las corrientes son despreciables, es decir casi nulas debido a que no se alcanzó el voltaje de ruptura o avalancha, ya que un diodo polarizado inversamente puede llegar a conducir corriente cuando el voltaje empleado alcanza el de ruptura. Según la hoja del fabricante, el voltaje de ruptura del diodo 1N4148 es de 75V y del diodo 1N4007 es de 1000V.

5

Practica 1

Parte D (Comportamiento en AC)

En la parte D de este informe se analizó el comportamiento de los diodos en AC. En esta ocasión, el valor del voltaje se fijó, y se fue variando la frecuencia de onda, para analizar los cambios que se producían en el diodo (en 1N4148 y 1N4007), y así sacar conclusiones y diferencias entre los diodos, además de las diferencias de la señal de entrada y la respuesta del diodo. La frecuencia inicial en cada caso fue de 500 Hz, se fue aumentando gradualmente hasta notar cambios significativos en las gráficas de la señal de respuesta del diodo y se fueron guardando las gráficas obtenidas en el osciloscopio.

Figura 13. Señal de entrada.

En la gráfica anterior se muestra la señal de entrada una onda sinodal dada por el generador con las siguientes anotaciones:Vpp: 5V, F: 506.977Hz.

Figura 14. Señal de salida en diodo 1N4148.

En la figura 13 podemos observar la gráfica de la entrada, y la salida medida en el diodo 1N4148 en donde el comportamiento del diodo es como un limitador de la señal. La grafica azul presenta los siguientes valores: Vpp: 3.3V, F: 500.010Hz.

Figura 15. Señal de salida del diodo 1N4148 a frecuencia alta.

Al ir incrementando la frecuencia notamos que la señal de salida se distorsionaba. En la figura 14 muestra el cambio que tuvo la señal de entrada y las notaciones de las gráficas fueron:Vpp: 2.78V, F: 1.50824KHz.

Figura 16. Señal de salida del diodo 1N4007.

En la figura 15 mostramos la señal de entrada, y la salida tomada desde el diodo 1N4007 en el que igualmente se comporta como un limitador de señal. La gráfica azul presenta los siguientes valores:Vpp: 3.3V, F: 497.757Hz.

6

Practica 1

Figura 17. Señal de salida del diodo 1N4007 a alta frecuencia.

Al aumentar la frecuencia notamos que la señal cambiaba notoriamente. Los datos de la tabla son:Vpp: 4.8V, F: 11.2050MHz.

A partir del análisis de gráficas y datos suministrados por el osciloscopio, se puede ver claramente que la función del diodo es la de permitir el paso de la corriente en una dirección determinado, de ahí el porqué se ve una limitación en uno de los topes de la señal de respuesta, y una diferencia característica entre los diodos: A frecuencias altas, el de señal (1N4148) trabaja mejor que el rectificador (1N4007).

Parte E (aplicación: compuertas lógicas)

En esta parte del laboratorio, se analizó el funcionamiento de un DIP switch y como este puede afectar los parámetros de un circuito.Se realizó el circuito de la Figura 6, en donde la R1 tiene un valor de 220Ω (1/4W), la R2 tiene un valor de 1K Ω, los diodos son referencia 1N4148 y la fuente Vcc es 5VDC.

Se verificó el voltaje de encendido del LED en la hoja de datos cuyo valor es de 1.7V.

Figura 18. Diagrama esquemático No.4

Después se midió el voltaje en los diodos (1N4148), sobre el LED, y la corriente de salida para cada una de las combinaciones del DIP switch y se obtuvieron los resultados de la Tabla 5.

Posición de los

SWITCHES

Voltaje D1(V)

Voltaje D2(V)

Voltaje LED(V)

Corriente de

salida (A)V

1V2

ON

ON 0,64 0,65 0,601 0,03 mA

ON

OFF 0,678 -4,32 0,68 0,03 mA

OFF

ON -4,30 0,685 0,677 0,07 mA

OFF

OFF -3,106 -3,116 1,915 3,12 mA

Tabla 5. Mediciones en el esquemático No.4.

Se puede observar que para una fuente de 5V al accionar los interruptores, en la posición de encendido, la corriente circula a través de los diodos D1 y D2 proveniente de la resistencia de 1k debido a que poseen voltajes de umbral más pequeños que el LED y sigue su camino hacia tierra, entonces no circula corriente por el LED ni por las resistencias de 220. Al cambiar de posición, sólo uno de los interruptores, la corriente circula solo por un camino (el interruptor cerrado) para el interruptor abierto vamos a observar que su diferencia de tensión es el valor de tensión del resistor de 1k. Aun así, no circula corriente por el LED, porque toda desvía por el diodo. Cuando ambos interruptores están abiertos no circula corriente a través de los resistores de 220 ohm ni a través de los diodos (diferencia de potencial prácticamente 0), la corriente circula a través de la malla resistor de 1k y LED, y el voltaje de los diodos D1 y D2 es el de la resistencia de 1k, el voltaje en el LED es de 1.915 ligeramente por encima de su-

7

Practica 1

voltaje umbral. Este circuito, permite la activación de una señal cuando las dos están en off, asemeja el funcionamiento de una compuerta lógica NAND.

Figura 19. Montaje diagrama esquemático No4.

IV. PREGUNTAS FINALES.

1. ¿Puede usted determinar a partir de los datos registrados en la Tabla 1 el voltaje de encendido del diodo?

Si, podemos darnos cuenta que el voltaje de encendido del diodo se da a partir de un valor cercano a 0.65 y 0.7, En este momento podemos observar que hay un aumento considerable en los valores de corriente (2.47 Y 5.71 respectivamente). Esto debido a la proporcionalidad establecida por la ley de ohm entre estas dos variables (v=i*r).

2. ¿Qué diferencias encuentra entre los valores de las Tablas 1 y 2 de la sección Resumen de Resultados? Explique por qué ocurren.

Una diferencia es que el voltaje de arranque para cada uno de los diodos es diferente, en este caso el diodo 1N4007 arranca primero cómo lo podemos en la Tabla 2, encontrándose a un voltaje de 0.6V ya conduce una corriente de 1.41mA mientras que el diodo 1N4148 a un voltaje igual conduce un corriente de 1.01mA. Otra diferencia encontrada es que el diodo 1N4007 maneja mayores valores de corriente para el mismo voltaje en comparación con el diodo 1N4148, esto se da debido a las características de este 1N4147 -potencia y IN4148-señal.

3. ¿Es posible observar cuál es el voltaje de ruptura de los diodos 1N4148 y 1N4007 a partir de los datos registrados en las Tablas 4 y 5? Justifique su respuesta.

No es posible observar el voltaje de ruptura de los diodos, ya que notamos en las Tablas que los valores de corriente obtenidos para los Diodos 1N4148 y 1N4007 fueron constantes con relación a la variación del voltaje de la fuente, el cual presenta una variación

de 5V hasta 65V, y debería llegar a 75V para el 1N4148 y alrededor de 1000V para el 1N4007 para alcanzar la tensión de ruptura equivalente en cada uno, lo cual no se logró con la fuente de tensión suministrada en el laboratorio.

4. ¿Qué diferencias observó entre el diodo de Señal y el diodo de Rectificación?

Una diferencia entre el diodo rectificador y el diodo de señal es que la tensión a partir de la cual el diodo rectificador comienza a conducir corriente en polarización directa suele ser inferior a la del diodo de señal.Otra diferencia que podemos notar entre el diodo rectificador y el de señal es que el diodo rectificador permite paso de corriente a valores pequeños de voltaje en cambio el de señal no trabaja con corrientes muy altas, el diodo rectificador muestra distorsión en la señal al someterla a grande frecuencias, y en el diodo de señal no sucede esto, porque el tiempo de restauración inversa es mayor en el diodo rectificador que el de señal, este diodo de señal se utiliza para frecuencias más altas que el de potencia.

5. En la figura 3 se muestra el diagrama esquemático del circuito que debe ser montado para el análisis DC en polarización directa, según la teoría desarrollada en clases. Dicho esquema cuenta con una resistencia limitadora cuya función ya debe conocerse. El valor que se recomienda usar es una resistencia de 270Ω con una disipación de potencia de 1W. Explique cuantitativa y cualitativamente los motivos por los cuales fue seleccionado dicho valor, basado en los valores comerciales de las resistencias, y los resultados obtenidos para ese análisis, teniendo en cuenta que se fijó una corriente máxima de 35mA para un voltaje de entrada máximo de 10v.

Por medio del análisis del circuito podemos conocer el valor de la potencia que soporta la resistencia y de esta manera estar seguros de cualquier error o elevación de tensión o de corrientes, se escogió de 1W teniendo presente la corriente máxima del diodo-

8

Practica 1

y al tensión que se suministrada al circuito, al realizar la multiplicación de corriente con tensión, obtenemos un dato aproximado de la potencia del resistor.Para saber el valor de la resistencia aplicamos los conceptos previamente aprendidos en clase y aplicamos lo siguiente:

Por lo tanto la resistencia es igual a:

Por esto se utiliza la resistencia de 270Ω, para efectos de eficiencia en el circuito.

V. CONCLUSIONES

- Al realizar cada uno de los montajes nos fue posible evidenciar cada uno de los conceptos y nociones adquiridas en la clase, pudimos establecer comparaciones entre los diodos 1N4148 y 1N4007.

- A partir del análisis de gráficas y datos suministrados por el osciloscopio y el multímetro, se puede ver claramente que la función del diodo es la de permitir el paso de la corriente en una dirección determinado, de ahí el porqué se ve una limitación en uno de los topes de la señal de respuesta, y podemos ver una diferencia característica entre los diodos y es que a frecuencias altas, el de señal (1N4148) trabaja mejor que el rectificador (1N4007).

- De esta experiencia podemos concluir que los diodos tienen tres estados de funcionamiento: en polarización directa (en donde el diodo conduce una corriente manejada porque circuito pero a la vez limitada por la fabricación del mismo), polarización inversa (es todo lo contrario a la directa, no conduce corriente, por lo tanto se comporta como circuito abierto) y momento de ruptura (aquí el diodo se comporta por regulador, es decir, tiene un voltaje de ruptura el cual permanece casi constante al variar la corriente), y en cada uno de ellos tiene aplicaciones a al ámbito de la electrónica y esto depende en cómo-

podemos moldear las condiciones para que la utilidad sea la deseada.

-Para los circuitos en AC los diodos funcionan como rectificadores de señal, ya sea de media onda o de onda completa, hacia arriba o hacia abajo, depende de la configuración del circuito.

VI. REFERENCIAS

[2].DATASHEET Catalog. Buscador de hojas de datos de dispositivos electrónicos, www.datasheetcatalog.net.

Manual de guías de Laboratorio. Electrónica I. Julio A. Maldonado, Nadime I. Rodríguez. Colaboración de Ing. Mauricio Pardo. Universidad del Norte.

SEDRA, Adel; SMITH, Kenneth. Circuitos Microelectrónicos. 5ª Ed. McGraw HIll. Mexico 2006.

9