Configuraciones Con Diodos

CONFIGURACIONES CON DIODOS Fabian Ricardo Hernandez Rozo1 ; Jorge Daniel Gallo Sanabria2 Cristian Mateo Fonseca

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Resumen—Para el estudio del dispositivo semiconductor más básico por excelencia, en la presente práctica, estudiamos el comportamiento de algunos circuitos muy importantes en la electrónica que utilizan como principal recurso el diodo. Dentro de dichos circuitos se encuentran los limitadores, sujetadores, ˜ multiplicadores y rectificadores, los cuales manipulan las senales ´ su propósito. AC y las convierten segun

Palabras clave— Aplicaciones con diodos, limitadores, rectificadores, sujetadores, multiplicadores. I.

INTRODUCCION

Como parte del estudio del comportamiento del diodo, es importante incluir en este, el funcionamiento de los diferentes circuitos que utilizan dicho dispositivo y que tienen much´ısimas aplicaciones en la electrónica moderna. Algunos de estos circuitos son los recortadores, multiplicadores, sujetadores y limitadores. En un objetivo inicial de este informe de laboratorio, buscamos identificar las diferentes aplicaciones que puede tener un diodo como el dispositivo semiconductor más elemental que hay, y que, posteriormente, nos abrirá las puertas a entender otros dispositivos más complejos pero fundamentales en el diseño de circuitos electrónicos. También, en el presente informe, vamos a profundizar en los circuitos rectificadores, tanto de media onda como de onda completa, ya que es la aplicación más común de los diodos. A continuación, se verán algunos conceptos básicos necesarios para entender la práctica de laboratorio realizada al igual que los cálculos previos a la práctica, los elementos utilizados para la misma, como se desarrolló esta, los resultados y análisis de los mismos y por ultimo conclusiones sobre la realización de la práctica todo esto con el fin de entender el funcionamiento de los circuitos con diodos aplicados a AC. II. II-A.

´ MARCO TE ORICO

Diodo

El diodo real es un elemento semiconductor, generalmente utiliza una unión PN. El uso de la unión PN en los diodos es debido a que esta unión puede conducir una corriente de gran magnitud si esta polarizado directamente y casi no deja circular corriente si se polariza inversamente [1]. Debido a que en el diodo real si existen perdidas de voltaje y puede conducir un poco de corriente cuando esta polarizado inversamente su curva I-V cambia, la curva del diodo ideal se muestra en la figura 1 1 Ingenier´ıa

Eléctrica [email protected] Mecatrónica [email protected] 3 Ingenier´ıa El´ ectrica [email protected] 2 Ingenier´ıa

Figura 1. Curva caracter´ıstica del diodo real [1]

II-B.

Condensador

El condensador es un elemento de circuitos pasivo, lo que significa que no puede suministrar una potencia promedio mayor a cero. El condensador ideal se modela con la ecuación 1 dv (1) dt Donde C es la capacitancia en faradios. Aunque el condensador es un elemento pasivo y no puede entregar potencia si puede almacenar energ´ıa y después entregarla al circuito. Aunque en el modelo ideal el condensador no disipa la energ´ıa en la realidad alguna energ´ıa es disipada por las resistencias finitas entre sus terminales [2] i(t) = C

II-C.

Circuito recortador o limitador

Estos circuitos son usados para recortarüna parte de la señal de entrada sin distorsionar el resto de la señal. Existen limitadores en serie a la carga y limitadores en paralelo a la carga. Los limitadores en serie con la carga son usados como rectificadores de media onda, de esta forma se limita todo un semiciclo de la onda, además se puede agregar una fuente dc en serie con el limitador para que el voltaje en la carga este desplazado, el circuito para limitación en serie se muestra en la figura 2 [3] Usando el circuito de la figura 2 se obtienen las siguientes señales (Figura 3) : El limitador en paralelo a la carga son usados para limitar los picos en la señal de entrada, el pico a limitar depende de la configuración del diodo, además si usan dos diodos se pueden

Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingenier´ıa. Electrónica Análoga I

Figura 2. Circuito limitador en serie con la carga [3] Figura 5. Señal sinusoidal de voltaje pico Vm limitada durante el semiciclo positivo a 0,7 V [3]

Figura 3. . Señal cuadrada de voltaje pico V sin limitar (izquierda) Señal cuadrada limitada usando un limitador en l´ınea con la carga (derecha) [3]

Figura 6. Imagen en donde se muestra un circuito limitador en paralelo a la carga con una fuente DC en serie al diodo [3]

limitar ambos picos de la señal de entrada, si no se agrega una fuente DC la señal se recortara a un voltaje de 0,7 V , el cual es el voltaje del diodo, un circuito limitador en paralelo sin fuente DC se muestra en la figura 4 [3]. De este circuito se obtiene la señal de la 5.

en paralelo y usando fuentes DC se muestra en la figura 8. Se obtiene la señal de la figura 9 II-D.

Circuitos sujetadores

Los circuitos sujetadores están compuestos de diodos, condensadores, fuentes DC y resistencias y su función es darle un valor DC diferente a la onda sin cambiar la apariencia de esta. Los valores de los condensadores y de las resistencias se deben escoger para que el tiempo de descarga del condensador (τ) sea mucho mayor al periodo de la señal [3]. A continuación se muestra un circuito sujetador en la figura 10: El anterior circuito sujeta al voltaje a aproximadamente 0 V , la señal resultante se muestra en la figura 11

Figura 4. . Imagen en donde se muestra el circuito limitador paralelo a la carga [3]

Aunque en la figura 5 no se alcanza a evidenciar el voltaje en el semiciclo positivo no es cero, el voltaje obtenido es aproximadamente 0,7 V . Si se usa un limitador con una fuente DC en serio como se muestra en la Figura 6, se obtiene una señal recortada a un voltaje de V = 0,7 V + vDC donde vDC es el voltaje de la fuente, la señal obtenida se muestra en la Figura 7 Si se usan dos diodos en paralelo se pueden recortar los dos picos de la señal de entrada, el circuito con dos diodos

Figura 7. Señal sinusoidal de voltaje pico Vm limitada durante el semiciclo positivo a la suma del voltaje del diodo y el voltaje de la fuente [3]

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Además se puede agregar una fuente DC en serie al diodo para sujetar la señal a un valor diferente de 0 V . El circuito con la fuente DC se muestra en la figura 12:

Figura 8. Circuito limitador usando dos diodos en paralelo para limitar ambos picos de la señal de entrada [3]

Figura 12. Circuito sujetador con una fuente de voltaje DC [3]

Usando el anterior circuito se sujeta la señal de entrada aun voltaje V1 , la señal de salida se muestra en la figura 13

Figura 9. Señal sinusoidal de voltaje pico Vm limitada en ambos semiciclos [3]

Figura 13. Señal cuadrada de voltaje pico V sujetada a un voltaje de valor V1 [3]

II-E.

Figura 10. Circuito sujetador [3]

Circuito multiplicador de voltaje

Los circuitos multiplicadores están compuestos de diodos y condensadores, su función es la de multiplicar el voltaje de entrada. Aunque estos circuitos pueden elevar el voltaje a grandes valores la señal de salida no es estable y cuando se conecte una carga los condensadores se descargaran y el voltaje de salida disminuirá rápidamente [3]. En la figura 14 se muestra un doblador de voltaje. Si se quiere que el voltaje de entrada se multiplique por un valor diferente a dos se pueden poner varias etapas del circuito anterior, el circuito propuesto se muestra en la figura 15 [3] En el anterior circuito se pueden obtener multiplicadores impares si se mide el voltaje en los condensadores C1 y C3 , con estos dos condensadores se obtendr´ıa un triplicador de voltaje pero si se continúan añadiendo etapas el voltaje inicial se multiplicara por 5, 7, 9, y los siguientes números impares. Por otro lado si se mide el voltaje en los condensadores C2 y C4 se obtiene un cuadruplicador de voltaje, si se siguen

Figura 11. Señal cuadrada de voltaje pico V sujeta a 0 V [3]

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Figura 14. Circuito doblador de voltaje [3]

Figura 17. Respuesta del recortador

Figura 15. Circuito multiplicador de voltaje general [3]

añadiendo etapas se multiplicara el voltaje inicial por factores pares [3]. III. III-A.

Figura 18. Circuito rectificador y recortador

SIMULACIONES Y RESULTADOS

Circuito 1: Recortador

Figuras 16 y 17

Figura 19. Respuesta del circuito recortador-rectificador

Figura 16. Circuito recortador básico

Podemos ver que el voltaje de recorte de la señal es de 3,7 V III-B.

Circuito 2: Rectificador - Recortador

Figuras 18 y 19 III-C.

Circuito 3: sujetador

Figura 20. Circuito sujetador de tensión

Figuras 20 y 21

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Figura 23. Circuito rectificador de tensión con puente de diodos

Figura 21. Respuesta del sujetador

Figura 24. Señal de tensión rectificada

B. Diseñe un circuito sujetador de tensión donde su salida sea una señal 5sin(ωt) + 2 V con frecuencia de 1 KHz Con el fin de establecer la relación RC del circuito con el diodo en inverso nos centramos en la frecuencia de la señal de entrada podemos suponer que mucho mayor hace referencia a 10 veces; por tanto, tenemos que: Figura 22. Señal de onda completa rectificada

1 = 1 ms 1000 Hz RC ∼ = 10 ms RC

III-D.

Diseño de circuitos

A. Diseñe un circuito donde su señal de salida sea igual a la figura 22, donde VP = 3,6 V y su periodo sea de 25 ms.

Con este valor de constante de tiempo podemos suponer una resistencia de carga de 100 KΩ y determinar un valor de capacitancia mayor o igual 0,1 µF. Para modificar la señal DC sobre la cual se monta la señal de salida se agrega al circuito una fuente de tensión entre el diodo y la referencia del circuito.

La tensión de alimentación (generador) debe ser igual a la tensión requerida menos la consumida por los diodos. Valimentacion = Vrequerido + 2Vumbral Valimentacion = 3,6 V + 2(0,7 V )

V f uente = VPsenal −Vumbral −Vdeseado

Valimentacion = 5 V

V f uente = 5 − 0,7 − 2 V f uente = 2,3 V

La frecuencia de la señal debe de ser la mitad de la solicitada dado que a frecuencia se duplica al pasarla por un puente rectificador de onda completa

Las simulación está en las Figura 25 y su resultado en la Figura 26. C. Diseñe un circuito sujetador de tensión donde su salida sea una señal 5sin(ωt) − 4 V con frecuencia de 1 KHz

Frequerida 2 1/25 ms Fgenerador = 2 Fgenerador = 20 Hz Fgenerador =

V f uente = VPsenal −Vumbral −Vdeseado V f uente = 5 − 0,7 − 4 V f uente = 0,3 V

La simulación y su resultado se pueden ver en las Figuras 23 y 24:

La simulación y el resultado de la misma se observan en las Figuras 27 y 28.

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Figura 25. Circuito sujetador de tensión

Figura 28. Salida del sujetador de tensión a −4 V

La señal de salida del rectificador es una onda AC sin elevación de voltaje, para lograr este corrimiento en el eje del voltaje (Y) usamos un sujetador de tensión con producto RC mayor al periodo de la señal, y con una fuente de tensión de 5,7 V , dicho voltaje se encontró asumiendo la respuesta del sujetador sin fuente DC donde la salir del rectificador se obtiene una señal con un nivel DC de 2,3 V , si el corrimiento deseado es de 8 V podemos concluir que se debe colocar una fuente de valor 5,7 V . De el diseño (Figura 30) el resultado obtenido se puede ver en la Figura 29.

Figura 26. Salida del sujetador de tensión a 2 V

D. Diseñe un circuito para que una señal de 8sin(ωt) se sujete a un voltaje de 8 V y se recorte con 3 Vpico . Dado que la señal de 8 voltios pico se debe recortar en 3 voltios tanto en su ciclo positivo como en el negativo se usó un recortador con fuentes de tensión se 2,3 V ; dicho voltaje se determinó usando el análisis de tensión en el nodo de salida para garantizar el recorte a los 3 VP V f uente = Vsalida −Vdiodo V f uente = 3 − 0,7 V f uente = 2,3 V

Figura 29. Señal obtenida del circuito obtenido

En la FIgura 29, la señal amarilla representa la entrada de 8 VP ; la señal azul es a señal recortada y la señal rosado representa el sujetador de tensión en 8 V .

Figura 27. Circuito sujetador de tensión a −4 V

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IV-B.

Circuito 2: Rectificador - Recortador

Para el circuito de la Figura 18 se obtuvo la señal de la Figura 33 y cuya función de transferencia se ve en la Figura 34.

Figura 30. Diseño del circuito según especificaciones de la práctica

´ IV. AN ALISIS DE RESULTADOS IV-A. Circuito 1: Recortador Se implementó el circuito de la Figura 16 y se obtuvo la señal de salida en el osciloscopio como se muestra en la Figura 31.

Figura 33. Señal de salida para el circuito de la Figura 18


La función de transferencia se muestra en la Figura 32.

Figura 34. Función de transferencia para el circuito de la Figura 18

IV-C.

Circuito 3: Sujetador

Al implementar el circuito de la Figura 20 se obtiene la señal de salida de la Figura 35 y cuya función de transferencia está en la Figura 36 Como era de esperarse, las fotograf´ıas muestran el resultado de la implementación de cada una de las configuraciones con diodos con alto nivel de detalle que permite comprobar que efectivamente el circuito cumple su función. Cabe destacar que a pesar de no haber tenido en cuenta las condiciones ambientales en el momento de la implementación de los circuitos, los mismos, muestran un error muy pequeño frente a las simulaciones de las Figuras 16 a la 21 ya que las gráficas obtenidas dan bastante cercanas a los resultados de la práctica.

Figura 32. Función de transferencia para el circuito de la Figura 16

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Figura 37. Señal de onda completa rectificada

Figura 36. Función de transferencia para el circuito de la Figura 20 Figura 38. Señal de sujetada a 2 V (simulación 25)

IV-D.

Diseño de circuitos

A partir del análisis previo para el diseño los diferentes circuitos se implementaron los circuitos con los resultados obtenidos para resistencias y demás valores. ˜ de onda completa rectificada: Al hacer el A. Senal montaje de la simulación de la Figura 23 se obtuvo la señal de salida de la Figura 37. ˜ sujetada a 2 V : Se realizaron los montajes B. Senal diseñados y se obtuvo la señal de salida de la Figura 38 cuya función de transferencia se encuentra en la Figura 39. ˜ sujetada a −4 V : El diseño realizado para este C. Senal sujetador se implementó y mostró el resultado de la Figura 40 y la función de transferencia de la Figura 41. ˜ sujetada a 8 V y recortada a 3 V arriba D. Senal y abajo: Implementamos el diseño de la Figura 30 y obtuvimos la señal de salida en la Figura 42 con la función de transferencia de la Figura 43.

Figura 39. Función de transferencia para el circuito sujetador a 2 V

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Figura 43. Función de transferencia para el circuito sujetador y recortador

Figura 40. Señal de sujetada a −4 V (simulación 27)

Podemos ver que los resultado obtenidos se acercan bastante a lo que se buscaba para las configuraciones con diodos. Sin embargo, como los fabricantes de diodos no se preocupan mucho por la exactitud de parámetros del mismo, estos tienen un rango de error bastante alto. Lo anterior se traduce en que la tensión umbral puede no ser de 0,7 V en el puente de diodos; incluso la tensión umbral puede ser diferente para cada uno de los diodos. En efecto, las suposiciones que se hicieron previo al diseño de estos circuitos no son exactas y pueden hacer que los resultados cambien en pequeña medida. Tal es el caso, por ejemplo, del circuito rectificador de onda completa, puesto que se obtuvo una señal rectificada a 3 Vpico en vez de 3,6 Vpico . Lo anterior corresponde a un error del 20 %. A priori, se puede decir que corresponde a un valor de error pequeño, sin embargo, no es despreciable; es aconsejable re plantear el diseño para reducir la tasa de error que deriva de la fabricación de los diodos. Cabe aclarar que lo anteriormente descrito debe ser tenido en cuenta en el resto de diseños ya que estos, presentan valores de error parecidos y no deben ser desconocidos por el Ingeniero.

Figura 41. Función de transferencia para el circuito sujetador a −4 V

V.

PREGUNTAS SUGERIDAS

1. ¿Que dificultades encuentra en la realización de las mediciones? Cuando se realizan circuitos que presentan componentes semiconductores, como los diodos hay que tener presente que estos pueden alterar la señal de tal manera que la forma de medición necesita estar fuertemente acompañada de un sustento teórico para no cometer errores, por ejemplo si se realiza un sujetador de tensión y no se tiene en cuenta colocar el osciloscopio en acople DC es muy probable que la señal de salida aparentemente no se halla elevado a ningún valor de tensión pero es un error que se comete al no tener presente el funcionamiento del osciloscopio; otra medida errónea sucede cuando se realiza un rectificador de onda y no se desacopla la tierra del osciloscopio, esto puede traer como consecuencia una señal de

Figura 42. Señal recortada y sujetada (simulación 30)

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rectificador de media onda y es por el funcionamiento interno del osciloscopio.

el diodo no funciona bien cuando se polariza en inverso. 5. ¿Cómo se afecta el comportamiento de cada circuito ˜ de entrada o su si se cambia la forma de la senal amplitud? Las modificaciones en cuanto a forma de onda, no afectan de forma significativa la respuesta del circuito, si se aumenta la amplitud de la señal habr´ıa que ver los rangos máximos de funcionamiento del diodo y los componentes para evitar problemas de mala labor, o quemar los componentes.

2. ¿Encuentra diferencias entre las mediciones, los ˜ y los resultados de simulación? ¿A cálculos de diseno qué atribuye las diferencias si las hay? Las diferencias que se presentaron en los circuitos implementados son relativamente m´ınimas, de orden de los mili voltios, dichas diferencias entre los cálculos, las simulaciones y la práctica se dan debido, como primera medida a las aproximaciones realizadas al momento de hacer los cálculos del diseño, as´ı miso los elementos de medición son componentes raléales que se ven afectados por la frecuencia y las impedancias internas de los mismos, en el simulador se puede realizar varias aproximaciones que tienen en cuenta variables reales como la tolerancia de los componentes, pero eso es solo una aproximación; por esta y otra cantidad de suposiciones realizadas para el diseño (temperatura ambiente, relación tensión corriente en el diodo, etc.) podemos decir que hay diferencias en las mediciones pero que a la escala que se está trabajando son despreciables.

VI.

CONCLUSIONES

El diodo como elemento semiconductor, representa un avance tecnológico importante gracias a su comportamiento como interruptor; en las aplicaciones que se desarrollaron en esta práctica se evidenciaron varias dificultades que se tienen al trabajar con diodos convencionales, y sus limitaciones en frecuencia y rangos de operación de tensión y corriente, pero más allá de sus limitantes, se puede decir que haciendo uso del diodo se pueden simplificar e implementar circuitos que facilitan en gran medida trabajar con señales de todo tipo y para toda aplicación. Los diseños realizados en un simulador pueden tener varias dificultades al momento de ser implementados. Muchos de los valores que arrojan los simuladores son basados en condiciones ideales lo cual resultó en varios problemas especialmente al momento de utilizar los condensadores ya que los valores que estos ten´ıan en las simulaciones no ten´ıan en cuenta las frecuencias lo cual llevó a cambiar sus valores durante la práctica. Debido a esto es muy importante tener en cuenta los factores que afectan a cada componente, en este caso el tiempo de carga del condensador (determinada por la resistencia equivalente del circuito y la capacitancia).

3. ¿Como se puede identificar si el tipo de circuito es un recortador, multiplicador, sujetador, limitador o un rectificador? Se puede identificar el tipo de circuito al que nos enfrentamos si observamos detenidamente los componentes presentes, u el lugar donde se realiza la medición de tensión, es decir: si en el circuito existen condensadores, podemos decir que puede ser un sujetador de tensión o un multiplicador una forma de discriminar cuál de los dos arreglos tenemos es verificar la cantidad de diodos en el circuito, si existe más de uno podemos decir que el circuito es multiplicador, si por el contrario tiene solo un diodo y este se encuentra en paralelo con una resistencia podemos decir que estamos sobre un sujetador de tensión; si no existen componentes almacenadores de energ´ıa, el circuito puede ser recortador - limitador, rectificador, una forma sencilla de discriminar estos circuitos es observar en donde se toma la tensión de salida, si la salida se encuentra en paralelo con un diodo conectado en serie con una fuente de tensión podemos decir que este es un limitador de tensión, si por el contrario la salida se toma después de un arreglo llamado puente de diodos podemos decir que el circuito es rectificador.

R EFERENCIAS [1] Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith, Microelectronic circuits, sexta edicion,Oxford series,2009, pp 173-179 [2] William H. Hayt Jr.,Jack E. Kemmerly, Steven M. Durbin, Análisis de circuitos en ingenier´ıa, McGraw Hill,2007, pp 215-224 [3] Robert L. Boylestad, Introducción al Análisis de Circuitos, décima edición, Pearson Educación: México D.C, 2004, pp 82–103 [4] C. Alexander, M. Sadiku,Fundamentos de circuitos eléctricos, tercera edición, editorial McGraw-Hill, México, 2006.

4. ¿Qué ocurre cuando se incrementa la frecuencia de la fuente de alimentación? El efecto más importante de esto ser´ıa en el tiempo de recuperación inverso del diodo debido a que estamos usando diodos convencionales los cuales necesitan un tiempo para responder en inverso, en cuanto a los circuitos que usan condensadores podemos decir que a mayor frecuencia de la fuente tendr´ıamos una mejor respuesta por el tiempo de descarga RC del circuito, al igual que el caso pasado

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