RESUMEN. En este reporte estaremos abordando conceptos y características de los diodos, también se hablará sobre sus diferentes formas de aplicaciones y se investigará de los diferentes circuitos con aplicación de diodos, donde se realizaran mediciones necesarias para su observación y comentarios, al final se dará una conclusión sobre todo lo investigado.
1.- INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN. Como tema principal en este reporte es el diodo en el cual se darán características, conceptos y aplicaciones para su correcta comprensión. Seguidamente Seguidamente se implementaran gráficas y se realizaran algunos circuitos electrónicos, electrónicos, donde el principal elemento utilizado utilizado es el diodo, también se podrá p odrá apreciar la medición de estos circuitos por medio de un instrumento de medición. Se realizara una investigación sobre una herramienta del N Multisim. Multisim. Al final se dará una conclusión general sobre lo tratado. La elaboración de este reporte repor te es con la finalidad de comprender la utilización y obtener los conocimientos necesarios sobre un elemento, tan importante como es el diodo y su utilización, también el de obtener experiencia en la utilización del N Multisim.
2.- CONCEPTOS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS S IGUIENTES IGUIENTES TÉRMINO T ÉRMINOS. S. 2.1.- DIODO. Los diodos son elementos semiconductores con una unión PN, una conexión en el lado P y otra en el lado N (¨diodo¨ para ¨dos caminos¨). Las propiedades de la unión PN se aprovechan en el aspecto técnico. El comportamiento específico de los diodos lo determina el curso respectivo de la concentración de impurificación impurificación en el cristal. Los diodos para una corriente de paso de más de 1A se denominan diodos de potencia. (Crepin, 2002, pág. 14) El diodo es la unión de dos semiconductores diferentes (material N y material P). Al tenerlos juntos se comportan en forma diferente a los semiconductores separados. El diodo se comporta como un conductor y como un aislante en función del voltaje que qu e se le aplique ap lique en sus extremos. El diodo es un semiconductor que solo permite la circulación de la corriente en un solo sentido ú nico (Figura 1). (Miguel, 2009, pág. 90)
Figura 1. Paso de corriente en el diodo. d iodo. 2.2.- POLARIZACIÓN DIRECTA. Al poner el negativo de la batería en el semiconductor tipo ¨N¨ y el positivo en el material ¨P¨, el diodo se comporta como un conductor (Figura 2). En la (Figura 3) se puede observar la gráfica para la polarización directa. directa. (Topete, 1998, p ág. 11)
Figura 2. Polarización directa del diodo
Figura 3. Grafica de polarización directa. 2.3.- POLARIZACIÓN INVERSA DEL DIODO. Al poner el positivo de la batería en el semiconductor ¨N¨ y el negativo en el semiconductor ¨P¨, el diodo se comporta como un aislante (Figura 4) En la (Figura 5) se puede observar la gráfica para la polarización inversa. (Topete, 1998, pág. 11)
Figura 4. Polarización inversa del diodo.
Figura 5. Grafica de polarización inversa. 2.4.- DIODO ZENER. Un diodo zener es un diodo que se hace bruscamente conductor cuando la polarización inversa alcanza un cierto valor llamado tensión disruptiva V b. Aun cuando todo diodo conduce con polarización inversa cuando la tensión inversa es suficientemente grande, se puede destruir el diodo ordinario. Sin embargo, si se trata de un diodo zener, la disrupción no es permanente. En los diodos zener, cuando se rebaja la polarización inversa por debajo de la tensión disruptiva, el diodo deja de conducir. (Cromer, 2006, pág. 697) El diodo zener se comporta como un diodo normal al estar polarizado directamente, y comienza a conducir, aproximadamente, a una tensión de 0.7 V. Hay que indicar que este tipo de funcionamiento en loa diodos zener no es el habitual, ya que están diseñados para trabajar en polarización inversa. En la (Figura 6) se puede apreciar el símbolo utilizado para representación del diodo zener.
Figura 6. Símbolo del diodo zener 2.5.- FENÓMENO ZENER. Hay dos efectos que producen la ruptura del diodo zener: El efecto zener y el efecto avalancha. Pueden ocurrir ambos efectos al mismo tiempo o independientemente. Cuando la ruptura se produce en uniones con tensiones por encima de los 5V están causadas por el efecto avalancha, mientras que para tensiones por debajo de los 5V la ruptura se produce por efecto zener (Figura 7). El efecto zener se produce al aplicar una tensión inversa al diodo zener lo suficientemente alta como para que el campo eléctrico resultante rompa los enlaces covalentes de los átomos de la zona de agotamiento. Entonces se liberan electrones que convierten la zona de agotamiento de aislante en conductora. Controlando el dopado de la zona P se puede ajustar la anchura de la zona de agotamiento y así crear campos eléctricos lo suficientemente fuertes como para que se produzca el efecto zener. (Valls, Espi Lopez, & Muñoz Mari, 2006, pág. 52)
Figura 7. Curva característica del efecto zener.
3.- CONCEPTOS Y CARACTERÍSTICAS DE LAS SIGUIENTES APLICACIONES CON DIODOS ZENER. 3.1.- RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA. Los circuitos rectificadores de media onda transmiten solamente la mitad de un ciclo de una señal y eliminan el otro, al limitar su salida a cero volts (Figura 8). La mitad de ciclo que si se trasmite puede estar invertida o no (Figura 9). También puede experimentar una ganancia o atenuación, o permanecer inalterada en cuanto a la magnitud, todo lo cual dependerá de las resistencias elegidas y de la colocación de los diodos en el circuito. En la (Figura 10), se muestra la gráfica del circuito de media onda. (Coughlin & Driscoll, 1999, pág. 186)
Figura 8. Circuito rectificador de media onda.
Figura 9. Media onda invertida.
Figura 10. Grafica de circuito de media onda. 3.2.- RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA. A diferencia de los rectificadores de media onda, los de onda completa utilizan las dos partes de la corriente, positiva y negativa, usando para ello 4 diodos. Dos diodos conducen la corriente positiva al tubo y los otro dos hacen lo mismo con la negativa, pero al rectificarla corriente que entra en el tubo es toda positiva. Un circuito rectificador de onda completa, con un transformador con derivación central se puede apreciar en la (Figura 11). Cada mitad del transformador, con su diodo correspondiente, actúa como un rectificador de media onda, y la salida es la de un rectificador de onda completa.
Figura 11. Rectificador de onda completa. 3.3.- FILTRO CAPACITIVO. El filtro capacitivo es esencialmente un capacitor conectado en paralelo con la resistencia de la carga. En la medida que el voltaje pulsante en C.D. del rectificador se le aplica al capacitor C, carga al valor pico de voltaje aplicado. Entre picos, el capacitor descarga a través de la resistencia de la carga R L y el voltaje cae gradualmente. En la (Figura 12), se puede observar un capacitor conectado en paralelo con una resistencia de carga (R L).
La cantidad de voltaje que cae antes que el capacitor comience a cargar otra vez, se llama ¨rizo de voltaje¨, la cantidad de descarga del capacitor entre picos de voltaje está controlada por la constante de tiempo R C del capacitor y la resistencia de carga, si la resistencia es grande y la capacitancia también lo es, el voltaje de rizo es pequeño, resultando una salida suave. (Harper, 2003, pág. 97)
Figura 12. Filtro capacitivo. 3.4.- DOBLADOR DE VOLTAJE. En general, un circuito multiplicador de voltaje está constituido por dos o más rectificadores pico que producen un voltaje de C.D igual a un múltiplo del voltaje pico de entrada, es decir, si el voltaje pico es VP, los voltajes del multiplicador son 2VP, 3VP, etc. Estos circuitos se usan en amplificaciones en donde se requieren altos voltajes y bajas corrientes, por ejemplo, para alimentar los tubos catódicos de los receptores de TV (cinescopios) a los osciloscopios, y pantallas para computadoras personales o terminales de computadora. Los circuitos dobladores de voltaje duplican la onda de entrada de C.A en la cavida en C.D se usan capacitores y diodos especificados a 2 veces el voltaje de entrada. El rizo se reduce usando capacitores de valor alto (Figura 13). (Harper, Fundamentos de electricidad, 1994, pág. 283) Para obtener el doble de voltaje de entrada (VO = 2VI) ya sea positivo o negativo, se utilizan diodos y capacitores. Los diodos cargan a los capacitores con voltaje y una vez cargados se abren. Los capacitores mantienen la carga al voltaje máximo de la entrada.
Figura 13. Dobladores de voltaje.
4.- REALIZA EN EL PROGRAMA MULTISIM LOS SIGUIENTES CIRCUITOS ELECTRÓNICOS. 4.1.- RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA. En el siguiente circuito electrónico (Figura 14), elaborado en el programa Multisim, se compone de los siguientes elementos: Fuente de 120Vac, Transformador de 1: 1, Diodo rectificador 1N4007, resistencia de 10k , también cuenta con equipos de mediciones: Multímetro XMM1, XMM2 y el osciloscopio XSC1.
4.2.- RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA. En el siguiente circuito electrónico (Figura 15), elaborado en el programa Multisim, se compone de los siguientes elementos: Fuente de alimentación de 120Vac, transformador con un polo de entrada y dos de salida de 10:1:1, dos diodos rectificadores 1N4007, resistencia de 1k , también cuenta con los siguientes equipos de mediciones: Tres multímetros XMM1, XMM2, XMM3 y un osciloscopio XSC1. 4.3.- RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON PUENTE DE DIODOS. En el siguiente circuito electrónico (Figura 16), elaborado en el programa Multisim, se compone de los siguientes elementos: Fuente de alimentación de 120Vac, transformador de 10:1, puente de diodos rectificadores 3N250, resistencia de 10k , también cuenta con los siguientes equipos de mediciones: Dos multímetros XMM1, XMM2 y un osciloscopio XSC2.
5.- CONEXIÓN DEL INSTRUMENTO DE MEDICION OSCILOSCOPIO CON COMENTARIOS SOBRE LA GRÁFICA OBTENIDA. 5.1.- CIRCUITO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA. En este circuito se puede observar la onda senoidal completa (línea roja, ya que es el voltaje de entrada (12Vac), no tiene ninguna oposición a su paso. En la salida del diodo (línea amarilla) se observa la rectificación de media onda, por causa del diodo rectificador (D1) durante los dos semi ciclos de la corriente alterna (A.C). Cuando la tensión es positiva, el diodo se encuentra polarizado en directa, y conducirá la corriente. Cuando la tensión es negativa, el diodo se polariza inversamente, no dejando pasar corriente. (Figura 14). El rectificador de media onda es un circuito que elimina la mitad de la señal que recibe en la entrada, en función de cómo este polarizado el diodo: si la polarización es directa, eliminara la parte negativa de la señal, y si la polarización es inversa, eliminara la parte positiva, por tal razón se ve una leve disminución de la señal en el osciloscopio y en el multímetro el voltaje disminuye a (5 Vac.), aproximadamente.
Figura 14. Circuito rectificador de media onda.
5.2.- CIRCUITO RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA. En el siguiente circuito rectificador de onda completa (Figura 15), se observa la onda senoidal completa en el voltaje de entrada (12Vac), ya que no tiene oposición alguna a su paso y en el voltaje de salida, se observan ondas senoidales completas y consecutivas, ya que durante el ciclo positivo, conduce el diodo A; durante el ciclo negativo, el diodo B conduce rectificando la señal.
Figura 15. Circuito rectificador de onda completa.
5.3.- CIRCUITO RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON PUENTE DE DIODOS. En este circuito rectificador de onda completa con puente de diodos (Figura 16), se puede observar en las ondas senoidal (líneas rojas) la onda completa, ya que es la entrada de tensión (12Vac) la cual no tiene ninguna oposición a su paso, en la salida de tensión (líneas amarillas) se observan las ondas senoidal, consecutivas y completas, ya que en el ciclo positivo de entrada, los diodos A y B conducen y en el ciclo negativo de entrada, los diodos D y C conducen.
Figura 16. Circuito rectificador de onda completa con puente de d iodos. Al conducir los diodos A y B en el ciclo positivo y los diodos C y D en el ciclo negativo, se obtiene en cada par de diodos (5 Vcd), aproximadamente, por lo que al sumarse los voltajes se obtiene una salida de (10Vcd), aproximadamente. Por tal razón el voltaje de salida es un poco menor al voltaje de entrada.
6.- CIRCUITOS RECTIFICADORES CON MULTISIM, IMPLEMENTADO A TABLETA EXPERIMENTAL PROTOBOARD. 6.1.- CIRCUITO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA EN TABLETA EXPERIMENTAL PROTOBOARD. En este circuito (Figura 17), podemos observar todos los elementos utilizados, en el circuito simulado en multisim con los elementos descritos en el párrafo 4.1.
Figura 17. Circuito rectificador de media onda en tableta experimental protoboard. 6.2.- CIRCUITO RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA. En el siguiente circuito (Figura 18), se observan los elementos utilizados en la simulación del circuito en Multisim con sus mismos elementos (Figura 15).
Figura 18. Circuito rectificador de onda completa en tableta experimental protoboard. 6.3.- CIRCUITO RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON PUENTA DE DIODOS. En este circuito rectificador (Figura 19), podemos observar los mismos elementos que se utilizaron en la simulación del circuito que se encuentra en la Figura 16 .
Figura 19. Circuito rectificador de onda completa con puente de d iodos.
7.- SPECTRUM ANALYZER. El analizador de espectro mide la amplitud frente a la frecuencia. Se lleva a cabo una función similar en el dominio de la frecuencia a un osciloscopio en el dominio del tiempo. Se opera mediante el barrido a través de una gama de frecuencias. La amplitud de la señal en la entrada del receptor se representa frente a la frecuencia de la señal. Este instrumento es capaz de medir la potencia de una señal a varias frecuencias, y ayuda a determinar la existencia de la señal de los componentes de frecuencia. En el analizador espectral podemos observar la potencia en decibeles (dB) (Figura 20). Con este instrumento podemos darnos cuenta de la distorsión que existe en las ondas de frecuencias. (Boylestad, 2004, pág. 1128)
Figura 20. Analizador espectral.
8.- CONCLUSIÓN. Como conclusión, puedo decir que en el campo de la electrónica, el diodo es un elemento importante e interesante, ya que por sus muchos atributos se puede utilizar en muchas aplicaciones, también se pudo analizar el uso en su tipo de polarización directa e inversa. Se estudió el diodo zener y el fenómeno zener, en este último se pudo comprender los fenómenos importantes que realiza el diodo zener. Como parte esencial del diodo se realizó una investigación sobre, rectificador de media onda, rectificador de onda completa, Filtro capacitivo y Doblador de voltaje, en estas aplicaciones se entendió sobre los diferentes usos del diodo, puntos clave para nuestra actividad. La utilización de los diodos en circuitos fue de mucha utilidad, ya que se realizaron prácticas en circuitos rectificadores como son: circuito rectificador de media onda, circuito rectificador de onda completa y circuito rectificador de onda completa con puente de diodos. En los circuitos mencionados se pudo comprobar los efectos que realiza un diodo en un circuito, lo cual en lo personal fue de gran experiencia. También se obtuvo experiencia, en el armado de circuitos en la tableta experimental protoboard, la cual nos proporciona Multisim. Otra de las herramientas importantes de Multisim es el analizador de espectros lo cual se analizó e investigo, dando como resultado experiencia en dicho instrumento. Como punto final puedo decir que esta actividad fue de gran ayuda para mi formación personal, ya que desconocía muchas utilidades y características del diodo.
Bibliografía Boylestad, R. L. (2004). Introduccion al analisis de circuitos. Mexico: Pearson Educacion. Coughlin, R. F., & Driscoll, F. (1999). Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales. Mexico: Prentice Hall HispanoAmericano, S.A. Crepin, J. (2002). Microelectronica. Alemania: Bosch.
Cromer, A. H. (2006). Fisica en la ciencia y en la industria. España: Reverte, S.A. Harper, G. E. (1994). Fundamentos de electricidad. Mexico: Limusa, S.A de C.V. Harper, G. E. (2003). El ABC del control electronico de las maquinas electricas. Mexico: Limusa, S.A de C.V. Miguel, P. A. (2009). Electronica. España: Paraninfo, S.A. Topete, J. d. (1998). Electronica 1. Maxico: Universidad autonoma de b aja california. Valls, G. C., Espi Lopez, J., & Muñoz Mari, J. (200 6). Fundamentos de electronica analogica. España: Universidad de valencia.
