Cátedra de Ele tróni a de Poten ia Informe N°1 - Tiempo de re upera ión inversa del diodo
Universidad Te nológi a Na ional Fa ultad Regional Córdoba
Do entes de la átedra: Oros, Ramón Ceferino - Profesor Adjunto. Avramovi h, Javier Alejandro - Jefe de Trabajos Prá ti os.
Autores: da Silva Regis, Luis Miguel - Legajo N° 60.099. Duaut Anun, Rodrigo Jose - Legajo N° 60.454. Kippke, Matias Ariel - Legajo N° 59.916. Sosa Morales, Saúl Andrés - Legajo N° 60.711.
Cátedra de Ele tróni a de Poten ia Informe 1 - Tiempo de re upera ión inversa del diodo
Índi e 1. Introdu
ión
2
2. Cara terísti as del diodo de poten ia 2.1.
2.2.
Cara terísti as estáti as
2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2.1.1.
Parámetros en bloqueo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2.1.2.
Parámetros en estado de ondu
ión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.1.3.
Modelo estáti o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
Cara terísti as dinámi as
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1.
Parámetros de en endido
2.2.2.
Parámetros de apagado
3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.3.
Poten ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.4.
Cara terísti as térmi as
5
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. Tipos de diodos 3.1.
3.2.
6
En fun ión de su en apsulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
3.1.1.
Diodos pequeños de plásti o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
3.1.2.
Diodos de perno
6
3.1.3.
Diodos de dis o de Ho key
3.1.4.
Diodos en Pa k (diodos tiristores)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.1.5.
Bloque re ti ador enfriado por agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
En fun ión de su velo idad de onmuta ión
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
8
3.2.1.
De uso general
3.2.2.
De re upera ión rápida
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.2.3.
De re upera ión Ultra-rápida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.2.4.
Diodo S hottky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
4. Prá ti a de laboratorio
8
9
4.1.
Diodo 1N5404 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4.2.
Diodo 1N4007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
4.3.
Diodo 1N4148 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
5. Con lusiones y re exiones nales trr
20
5.1.
Importan ia del
5.2.
Análisis de los resultados obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
5.3.
Imposibilidad de efe tuar la medi ión prá ti a para el diodo 1N4148
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
5.4.
Tabula ión de resultados obtenidos en las medi iones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
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a la hora de sele
ionar un diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Curso 5R1
20
1
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1. Introdu
ión El diodo es uno de los dispositivos más empleados en el ampo de la ele tróni a de poten ia. Sin embargo, a pesar de sus múltiples usos, es ne esario re ordar que posee las siguientes limita iones: Son dispositivos unidire
ionales, no pudiendo ir ular orriente en el sentido ontrario a la ondu
ión. El úni o pro edimiento de ontrol es invertir el voltaje entre ánodo y átodo. Los diodos de poten ia se ara terizan por que en estado de ondu
ión deben ser apa es de soportar un alto nivel de intensidad on una pequeña aída de tensión. En sentido inverso, deben ser apa es de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo on una pequeña orriente de fuga. La gura 1 muestra el omportamiento de un diodo de poten ia onven ional.
Figura 1: Curva ara terísti a del diodo. Las diferentes fun iones que umplen estos diodos en ele tróni a de poten ia son: Interruptores en los re ti adores. De Corrida Libre en los reguladores onmutados y en las llaves
”H”
o
”T ”
en los ontroladores de motores.
Inversión de arga de apa itores y transferen ia de energía a la fuente de energía entre omponentes. Aisla ión de tensión, retroalimenta ión de la energía de la arga ha ia la fuente de energía y re upera ión de la energía atrapada.
2. Cara terísti as del diodo de poten ia Las ara terísti as más importantes se pueden agrupar de la siguente manera:
2.1.
Cara terísti as estáti as
2.1.1. Parámetros en bloqueo Tensión inversa de trabajo
VRW M :
Tensión inversa máxima que puede ser soportada por el diodo de forma onti-
nuada sin peligro de avalan ha.
Tensión inversa de pi o repetitivo repetidos ada
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10 [ms]
VRRM :
Tensión inversa máxima que puede ser soportada en pi os de
1 [ms]
por tiempo inde nido.
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Tensión inversa de pi o úni o 10 [min]
VRSM : Tensión 10 [ms] .
inversa máxima que puede ser soportada por una sola vez ada
o más, on dura ión de pi o de
Tensión de ruptura
VR :
Si es al anzada, aunque sea por una vez, el diodo puede destruirse o al menos degradar sus
ara terísti as elé tri as.
2.1.2. Parámetros en estado de ondu
ión Intensidad media nominal IF AV : Es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos senoidales de 180 [º] que el diodo puede soportar on la ápsula mantenida a determinada temperatura (110 [ºC] normalmente).
Intensidad de pi o repetitivo IF RM : Máxima intensidad que puede ser soportada ada 20 [ms] por tiempo inde nido,
on dura ión de pi o de
1 [ms]
Intensidad de pi o úni o dura ión de pi o de
10 [ms] .
a determinada temperatura de la ápsula.
IF SM :
Es el máximo pi o de intensidad apli able por una vez ada
10 [min]
o más, on
2.1.3. Modelo estáti o Los distintos modelos del diodo en su región dire ta (modelos estáti os) se representan en la gura 2. Estos modelos fa ilitan los ál ulos a realizar, para lo ual se debe es oger el modelo ade uado según el nivel de pre isión que se requiera. Di hos modelos suelen ser propor ionados por el fabri ante, e in luso suelen gurar en las librerías de los programas de simula ión (por ejemplo, OrCad PsPi e).
Figura 2: Modelos estáti os del diodo bajo pruebas.
2.2.
Cara terísti as dinámi as
2.2.1. Parámetros de en endido Tensión dire ta VON : Caída de tensión del diodo en régimen permanente para la orriente nominal. Tensión de re upera ión dire ta
VF :
Tiempo de re upera ión dire ta
tON :
Tiempo de subida
tr :
Tensión máxima durante el en endido. Tiempo para al anzar el
Tiempo en el que la orriente pasa del
110 % 10 %
de
al
VON .
90 %
de su valor dire to nominal. Suele
estar ontrolado por un ir uito externo. Es menor al tiempo de re upera ión en inversa y no suele produ ir pérdidas despre iables.
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2.2.2. Parámetros de apagado El paso del estado de ondu
ión al de bloqueo en el diodo no se efe túa instantáneamente. Si el diodo se en uentra
ondu iendo una intensidad
IF ,
la zona entral de la unión
P −N
está saturada de portadores mayoritarios on tanta mayor
densidad de éstos uanto mayor sea IF . Si mediante la apli a ión de una tensión inversa se fuerza la anula ión de la orriente
on ierta velo idad di/dt, resulta que después del paso por ero de la orriente existe ierta antidad de portadores que
ambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo onduz a en sentido ontrario durante un instante. La tensión inversa entre ánodo y átodo no se estable e hasta después del tiempo
ta
llamado
tiempo de alma enamiento,
en el que los
tb tiempo de aída ) en pasar de un valor de pi o negativo (IRRM ) a un valor despre iable mientras van desapare iendo
portadores empiezan a es asear y apare e en la unión la zona de arga espa ial. La intensidad todavía tarda un tiempo (llamado
el ex eso de portadores.
Figura 3: Tiempos de re upera ión inversa de un diodo bajo pruebas.
Tiempo de alma enamiento ta : Es el tiempo que trans urre desde el paso por ero de la intensidad hasta llegar al pi o negativo.
Tiempo de aída tb :
Es el tiempo trans urrido desde el pi o negativo de intensidad hasta que ésta se anula, y es
debido a la des arga de la apa idad de la unión polarizada en inverso. En la prá ti a se suele medir desde el valor de pi o negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste.
Tiempo de re upera ión inversa
trr :
tb ta es ono ida omo fa tor de suavizado ”SF ”. Este representa el tiempo que durante el apagado del diodo tarda la orriente en al anzar su valor
máximo (negativo) y retornar hasta un
Es la suma deta y
25 %
tb.
La rela ión entre
de di ho valor (10 [µs] para diodos normales y
1 [µs]
para diodos de
re upera ión rápida).
Carga elé tri a desplazada Qrr : Representa el área negativa de la ara terísti a de re upera ión inversa del diodo. Pi o negativo de intensidad Irr : También se lo puede representar omo Irrm . In uen ia del
trr
en la onmuta ión
Si el tiempo que tarda el diodo en onmutar no es despre iable :
Se limita la fre uen ia de fun ionamiento. Existe una disipa ión de poten ia durante el tiempo de re upera ión inversa.
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Para altas fre uen ias, por tanto, debemos usar diodos de re upera ión rápida. Fa tores de los que depende
A mayor
IRRM
trr .
Cuanta mayor sea la intensidad prin ipal que atraviesa el diodo mayor será la apa idad alma enada, y por tanto mayor será
2.3.
menor
trr :
trr .
Poten ia
Poten ia máxima disipable Pm´ax : Es un valor de poten ia que el dispositivo puede disipar, pero no se debe onfundir
on la poten ia que disipa el diodo durante el fun ionamiento, la ual se denomina poten ia de trabajo.
Poten ia media disipada PAV : Es la disipa ión de poten ia resultante uando el dispositivo se en uentra en estado de ondu
ión, si se despre ia la poten ia disipada debida a la orriente de fugas.
Poten ia inversa de pi o repetitiva
PRRM :
Es la máxima poten ia que puede disipar el dispositivo en estado de
bloqueo.
Poten ia inversa de pi o no repeptitiva PRSM : Similar a la anterior, pero dada para un pulso úni o. 2.4.
Cara terísti as térmi as
Temperatura de la unión Tjm´ax : Es el límite superior de temperatura que nun a se debe sobrepasar a la unión del dispositivo para evitar su inmediata destru
ión. En o asiones, en lugar de la temperatura de la unión se provee el
"operating temperature range"
(o márgen de temperatura de fun ionamiento), lo ual signi a que el dispositivo se ha
fabri ado para fun ionar en un intervalo de temperaturas omprendidas entre dos valores, uno mínimo y otro máximo.
Temperatura de alma enamiento
Tstg :
Es la temperatura a la que se en uentra el dispositivo uando no se le
apli a ninguna poten ia. El fabri ante suele dar un márgen de valores para esta temperatura.
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3. Tipos de diodos 3.1.
En fun ión de su en apsulado
3.1.1. Diodos pequeños de plásti o Tensiones inversas hasta los
IF AV
hasta los
1700 [V ].
4,3 [A].
De propósitos generales de baja poten ia.
Figura 4: Diodos pequeños de plásti o.
3.1.2. Diodos de perno Tensiones inversas hasta los
3000 [V ]
Car aza de metal hermetizado on ampolla aislada. Tornillo en ánodo o en átodo.
IF AV
hasta los
400 [A]
Apli a iones: Enfriador on disipador, diodos volantes de baja fre uen ia, re ti a ión ontrolada y semi ontrolada.
Figura 5: Diodos de perno.
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3.1.3. Diodos de dis o de Ho key Tensiones inversas hasta los
3000 [V ] .
Dis o tip metal- erámi o.
IF AV
hasta los
6000 [A] .
Apli a iones: Re ti a ión no ontrolada y semi ontrolada, Diodos volantes de baja fre uen ia y alta poten ia, Equipos de soldadura de alta poten ia, Galvanoplastía.
Figura 6: Diodo dis o de ho key.
3.1.4. Diodos en Pa k (diodos tiristores) Tensiones inversas hasta los
IF AV
hasta los
IF (RMS)
3000 [V ] .
600 [A] .
hasta los
1120 [A] .
Apli a iones: Re ti a ión no ontrolada y semi ontrolada, Diodos volantes de baja fre uen ia y alta poten ia, fuentes de alimenta ión, Control en máquinas herramientas, Puentes re ti adores para drivers de grandes motores.
. Figura 7: Diodos en pa k.
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3.1.5. Bloque re ti ador enfriado por agua Diodos re ti adores de baja fre uen ia para altas orrientes enfriados por agua. deT °CASE ).
IF AV
hasta los
7000 [A] (85[◦ C]
IF AV
hasta los
22 [kA] (8 [Lts/min]
audal).
Apli a iones: Equupos de soldadura de muy alta poten ia, Grandes equipos galváni os, Convertidores, fuentes de poder de muy alta poten ia.
Figura 8: Bloque re ti ador enfriado por agua.
3.2.
En fun ión de su velo idad de onmuta ión
3.2.1. De uso general En estos diodos no se espe i a el tiempo de re upera ión en inversa trr , pero es típi amente del orden de los
10 [µs] a 25 [µs].
Se utilizan en apli a iones de baja velo idad, en las que el trr no es ríti o. Estos diodos se fabri an generalmente por difusión. Los diodos por alea ión se utilizan en fuentes de alimenta ión para máquinas de soldadura.
3.2.2. De re upera ión rápida Estos diodos de re upera ión rápida tienen un trr de
0, 8 [µs] a 5µs aproximadamente, y se utilizan en apli a iones donde
la velo idad de onmuta ión omienza a ser ríti a. Se fabri an generalmente por difusión.
3.2.3. De re upera ión Ultra-rápida Los diodos de re upera ión ultra-rápida tienen un
trr
de
30[µs a 800ns
aproximadamente, y se utilizan en onvertidores
y apli a iones generales de poten ia y alta velo idad. Se fabri an generalmente por re imiento epitaxial, donde la base es más angosta.
3.2.4. Diodo S hottky Tienen un valor bajo de aída de tensión dire ta su apa idad de bloquear tensión a
50 [V ] − 100 [V ].
0, 3 [V ]
típi o y un
trr del
orden de los
[ns].
También tienen limitada
Los diodos S hottky son ideales para apli a iones de alta velo idad de
onmuta ión y baja tensión.
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Figura 9: Curva diodo S hottky.
4. Prá ti a de laboratorio (trr) (Qrr ) .
El objetivo del trabajo es medir el Tiempo de Re upera ión Inversa apli a ión, obteniedo luego el valor de la Carga elé tri a desplazada
por medio del siguiente ir uito de
Diodo Generador de pulsos
R= 1K
Figura 10: Cir uito bási o para medir el tiempo de re upera ión inversa del diodo
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[trr ] .
9
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4.1.
Diodo 1N5404 Señal uadrada de
0 [V ]
5 [V ]:
a
Medi ión de Tiempo.
Medi ión de Tensión.
ta + tb = trr = 66, 8 [µs] . IRM =
VRM 1[KΩ]
= −640 [µA] .
Qrr = IRM trr = −42, 74 [nC] . Figura 11: Resultados obtenidos on os ilos opio Rigol Serie DS 1000D/E.
ta + tb = 100 [ns] Figura 12: Simula ión en OrCAD PsPi e.
Señal uadrada de
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−2 [V ]
a
5 [V ]:
Curso 5R1
10
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Medi ión de Tiempo.
Medi ión de Tensión.
ta + tb = trr = 69, 6 [µs] . IRM =
VRM 1[KΩ]
= −2, 64 [mA] .
Qrr = IRM trr = −183, 74 [nC] . Figura 13: Resultados obtenidos on os ilos opio Rigol Serie DS 1000D/E.
ta + tb = 500 [ns] Figura 14: Simula ión en OrCAD PsPi e.
Señal uadrada de
22 de mayo de 2015
0 [V ]
a
10 [V ]:
Curso 5R1
11
Cátedra de Ele tróni a de Poten ia Informe 1 - Tiempo de re upera ión inversa del diodo
Medi ión de Tiempo.
Medi ión de Tensión.
ta + tb = trr = 24, 4 [µs] . IRM =
VRM 1[KΩ]
= −3, 76 [mA] .
Qrr = IRM trr = −91, 74 [nC] . Figura 15: Resultados obtenidos on os ilos opio Rigol Serie DS 1000D/E.
ta + tb = 100 [ns] Figura 16: Simula ión en OrCAD PsPi e.
Señal uadrada de
22 de mayo de 2015
−2 [V ]
a
10 [V ]:
Curso 5R1
12
Cátedra de Ele tróni a de Poten ia Informe 1 - Tiempo de re upera ión inversa del diodo
Medi ión de Tiempo.
Medi ión de Tensión.
ta + tb = trr = 40 [µs] . IRM =
VRM 1[KΩ]
= −3, 04 [mA] .
Qrr = IRM trr = −121, 6 [nC] . Figura 17: Resultados obtenidos on os ilos opio Rigol Serie DS 1000D/E.
ta + tb = 300 [ns] Figura 18: Simula ión en OrCAD PsPi e.
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Curso 5R1
13
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4.2.
Diodo 1N4007 Señal uadrada de
0 [V ]
5 [V ]:
a
Medi ión de Tiempo.
Medi ión de Tensión.
ta + tb = trr = 1, 50 [µs] . IRM =
VRM 1[KΩ]
= −720 [µA] .
Qrr = 21 IRM trr = −540 [pC] . Figura 19: Resultados obtenidos on os ilos opio Rigol Serie DS 1000D/E.
ta + tb = 300 [ns] Figura 20: Simula ión en OrCAD PsPi e.
Señal uadrada de
22 de mayo de 2015
−2 [V ]
a
5 [V ]:
Curso 5R1
14
Cátedra de Ele tróni a de Poten ia Informe 1 - Tiempo de re upera ión inversa del diodo
Medi ión de Tiempo.
Medi ión de Tensión.
ta + tb = trr = 680 [ns] . IRM =
VRM 1[KΩ]
= −2, 88 [mA] .
Qrr = 21 IRM trr = −979, 2 [pC] . Figura 21: Resultados obtenidos on os ilos opio Rigol Serie DS 1000D/E.
ta + tb = 100 [ns] Figura 22: Simula ión en OrCAD PsPi e.
Señal uadrada de
22 de mayo de 2015
0 [V ]
a
10 [V ]:
Curso 5R1
15
Cátedra de Ele tróni a de Poten ia Informe 1 - Tiempo de re upera ión inversa del diodo
Medi ión de Tiempo.
Medi ión de Tensión.
ta + tb = trr = 2 [µs] . IRM =
VRM 1[KΩ]
= −1, 52 [mA] .
Qrr = 21 IRM trr = −1, 52 [nC] . Figura 23: Resultados obtenidos on os ilos opio Rigol Serie DS 1000D/E.
ta + tb = 400 [ns] Figura 24: Simula ión en OrCAD PsPi e.
Señal uadrada de
22 de mayo de 2015
−2 [V ]
a
10 [V ]:
Curso 5R1
16
Cátedra de Ele tróni a de Poten ia Informe 1 - Tiempo de re upera ión inversa del diodo
Medi ión de Tiempo.
Medi ión de Tensión.
ta + tb = trr = 420 [ns] . IRM =
VRM 1[KΩ]
= −3, 20 [mA] .
Qrr = 21 IRM trr = −672 [pC] . Figura 25: Resultados obtenidos on os ilos opio Rigol Serie DS 1000D/E.
ta + tb = 200 [ns] Figura 26: Simula ión en OrCAD PsPi e.
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Curso 5R1
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Cátedra de Ele tróni a de Poten ia Informe 1 - Tiempo de re upera ión inversa del diodo
4.3.
Diodo 1N4148 Señal uadrada de
0 [V ]
a
5 [V ]:
Medi ión de Tiempo.
Medi ión de Tensión.
ta + tb = trr = 280 [µs] Incorrecto. IRM =
VRM 1[KΩ]
= −64 [µA] .
Qrr = 21 IRM trr = −17, 92 [nC] . Figura 27: Resultados obtenidos on os ilos opio Rigol Serie DS 1000D/E.
ta + tb = 25 [ns] Figura 28: Simula ión en OrCAD PsPi e.
Señal uadrada de
22 de mayo de 2015
−2 [V ]
a
5 [V ]:
Curso 5R1
18
Cátedra de Ele tróni a de Poten ia Informe 1 - Tiempo de re upera ión inversa del diodo
ta + tb = 20 [ns] Figura 29: Simula ión en OrCAD PsPi e.
Señal uadrada de
0 [V ]
a
10 [V ]:
ta + tb = 25 [ns] Figura 30: Simula ión en OrCAD PsPi e.
Señal uadrada de
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−2 [V ]
a
10 [V ]:
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Cátedra de Ele tróni a de Poten ia Informe 1 - Tiempo de re upera ión inversa del diodo
ta + tb = 20 [ns] Figura 31: Simula ión en OrCAD PsPi e.
5. Con lusiones y re exiones nales Luego de realizar la prá ti a de laboratorio, se intenta dejar en laro ual es la importan ia de ono er omo dato el tiempo de re upera ión inversa.
5.1.
Importan ia del
trr
a la hora de sele
ionar un diodo
Se supone que para una determinada apli a ión de onmuta ión a
100 [KHz] se debe elegir un diodo a partir de las uatro
te nologías vistas on anterioridad. Analizando ada te nología por separado, 1. Un diodo de línea o de red es ompletamente obsoleto para este aso, ya que su valor de
trr ≈ 10 [µs]
se en uentra en
el órden del período de onmuta ión. 2. Un diodo rápido tampo o es onveniente, ya que su valor de período de onmuta ión. En general, se intenta que el valor de
trr ≈ 1 [µs] es apenas diez ve es menor que el órden del trr sea omo mínimo in uenta ve es menor que el órden
del período de la señal analizada. 3. Un diodo ultra - rápido es ade uado para la apli a ión presentada, ya que su
trr ≈ 10 [ns],
umpliendo optimamente
on la rela ión planteada on anterioridad. 4. Un diodo S hottky umple on la gran mayoría de las exigen ias que pueden presentarse, pero presenta una desventaja que lo onvierte en una lase de te nología vulnerable a la hora de su apli a ión en poten ia: La tensión inversa que puede soportar, la ual ronda valores máximos de
200 [V ].
Por lo tanto, llega el momento de tomar una solu ión de
ompromiso, en la ual se debe privilegiar la apli a ión en detrimento de la velo idad, siempre y uando se satisfagan las ondi iones mínimas de apli a ión.
5.2.
Análisis de los resultados obtenidos
Los valores que se presentan a partir de las medi iones efe tuadas on el os ilos opio Rigol Serie DS 1000D/E presentan gran similitud on los valores que se presentan en la hoja de datos para ada dispositivo bajo prueba. Este resultado es meramente satisfa torio, ya que se logra determinar por medio de un minu ioso pero sen illo experimento un valor de gran importan ia para la posterior apli a ión prá ti a. Por otra parte, se debe desta ar que la apli a ión de tensiones en el rango negativo favore en la re ombina ión de portadores minoritarios a un lado y otro de la juntura disminu ión del
trr,
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p-n
del diodo en uestión, lo ual se tradu e en una onsiderable
tal y omo lo dejan en eviden ia las medi iones prá ti as efe tuadas. Cabe remar arlo omo un punto
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fuerte de análisis dentro de las posibles apli a iones, ya que supone una ventaja si las señales uentan on una ex ursión negativa dentro de su período. Por último, es notable la diferen ia de resultados que se obtienen entre las simula iones llevadas a abo en
PsPi e
y la
experien ia llevada a abo en el laboratorio. Esto no es de sorprender, ya que el entorno de simula ión omputarizado trabaja
on variables que rozan la idealidad del omponente, lo ual lógi amente se en uentra lejano a lo que se puede lograr en el ámbito de laboratorio bajo el ual se realizaron los ensayos. Por onsiguiente, las simula iones orresponden a un mero resultado aproximativo de lo que se espera obtener en la prá ti a, dando uenta de los valores dentro de los uales rondan las ara terísti as de los omponentes bajo prueba.
5.3.
Imposibilidad de efe tuar la medi ión prá ti a para el diodo 1N4148
Los resultados obtenidos a partir del os ilos opio para el diodo 1N4148 son laramente erróneos, ya que los mismos no
ondi en ni on la hoja de datos, ni on la simula ión realizada. Por lo ual, puede asegurarse que el resultado no es verídi o. A partir de la investiga ion realizada, se plantean tres hipótesis para expli ar este fénomeno:
1
1. Limita ión del os ilos opio debido a su an ho de banda efe tivo : Cuando un os ilos opio emplea el
treo En Tiempo Real
Mues-
para obtener la representa ión de una señal, aptura las muestras a una fre uen ia que es omo
2 La prin ipal desventaja de este método es el
mínimo el doble de la fre uen ia de la señal analógi a que se analiza.
espa io de tiempo que debe existir entre muestra y muestra para efe tuar la onversion analógi a - digital. Un re urso que suele emplearse para redu ir las exigen ias del tiempo de onversión onsiste en emplear dos té ni as distintas:
a)
Muestreo Repetitivo Se uen ial, la ual se emplea para señales periódi as y puede dar lugar a perdidas de informa ion, ya que no es apaz de dete tar transitorios rápidos en la señal.
b)
Muestreo Repetitivo Aleatorio, el ual salva la ne esidad de dete tar los transitorios rápidos.
Sin embargo, en ambos metodos el fa tor limitante prin ipal sigue siendo el tiempo de onversion analógi o - digital, ya que no pueden digitalizarse señales uyo periodo sea menor que el periodo de muestreo.
1 Grazzini,
Hugo O., Medi iones Ele tróni as Para Estudiantes de Ingeniería - Instrumental Bási o y Té ni as de Medi ión, CEE, 2014,
Unidad N°6, Página N°27.
2 Teorema
del Muestreo o Teorema de Nyquist.
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a) Espe i a iones del Os ilos opio Rigol Serie DS 1000D/E.
b) Espe i a iones Diodo 1N4148. Figura 32: Compara ión entre las espe i a iones del diodo bajo pruebas y el os ilos opio digital de análisis.
Extrayendo los datos del manual del os ilos opio, se obtiene que su fre uen ia efe tiva de muestreo es de 25 [GS/s], por lo tanto el período efe tivo entre muestras es igual a 1/25[GS/s] = 40 [ps] . Por lo tanto, el os ilos opio empleado no puede digitalizar ninguna señal uyo período sea menor a
40 [ps] .
Comparando este resultado on el
trr
provisto por la hoja
de datos del diodo 1N4148, se observa que la señal si puede ser digitalizada orre tamente, por lo que esta hipótesis planteada no resuelve la in ógnita del error.
3
2. Limita ión del os ilos opio debido a su tiempo de re imiento : El os ilos opio empleado en este ensayo posee un an ho de banda efe tivo de
40 [M hz] .
siguiente e ua ión,
tc [s] =
El tiempo de re imiento de un os ilos opio se en uentra dado por la
0, 35 0, 35 = = 8, 75 [ns] AB 40 [M hz]
Si se pretende medir el tiempo de subida de un pulso rápido on un os ilos opio, debe tenerse en uenta este valor, ya que si el tiempo de re imiento del os ilo opio es omparable al tiempo de re imiento del pulso bajo análisis, se puede a eptar que el tiempo de re imiento nal es la suma uadráti a de ambos valores,
tc [s] =
q 2 2 nal) − tc (osciloscopio) tc (se˜
Este valor a arrea un error en la medi ión, el ual puede ser el ausante de la le tura errónea.
3 Grazzini,
Hugo O., Medi iones Ele tróni as Para Estudiantes de Ingeniería - Instrumental Bási o y Té ni as de Medi ión, CEE, 2014,
Unidad N°6, Página N°13.
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3. Limita ión del generador de fun iones debido a su tiempo de aida: El tiempo de aída es una ara terísti a inherente a ualquier onda uadrada que se emplee. Idealmente, este tiempo tiende a ser ero, lo ual es físi amente imposible de al anzar en la prá ti a. En la gura 33 se extrae que el tiempo de aída de una onda uadrada provista por el generador de fun iones tiene un tiempo de aída
tc ≈ 20 [ns] .
Figura 33: Tiempo de aída de la onda uadrada provista por el generador de señales.
Dado que se supone que el tiempo de aída del diodo 1N4148 es menor a
20 [ns], el he ho de emplear una onda uadrada
que posea un tiempo de aída mayor al deseado onlleva un error que puede ser el ausante de la le tura errónea en el os ilos opio empleado para tal n.
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5.4.
Tabula ión de resultados obtenidos en las medi iones
Diodo 1N5404 Tensión
trr
0 [V ] a 5 [V ]
100 [ns]
−2 [V ] a 5 [V ]
500 [ns]
0 [V ] a 10 [V ]
100 [ns]
−2 [V ] a 10 [V ]
300 [ns]
Simulado VRM IRM = 1[kΩ] ] − 114,37[mV = −114, 37 [µA] 1[KΩ] 1,84[V ] − 1[KΩ] = −1, 84 [mA] 131,56[mV ] − 1[KΩ] = −131, 56 [µA] ] − 1,94[V 1[KΩ] = −1, 94 [mA]
Real
1 2
Qrr =
trr
IRM
Qrr
−5, 71 [pC]
66, 8 [µs]
−640 [µA]
−42, 74 [nC]
−460 [pC]
69, 6 [µs]
−2, 64 [mA]
−183, 74 [nC]
−6, 58 [pC]
24, 4 [µs]
−3, 76 [mA]
−91, 74 [nC]
−291 [pC]
40 [µs]
−3, 04 [mA]
−121, 60 [nC]
· IRM · trr
Cuadro 1: Valores prá ti os tabulados.
Diodo 1N4007 Tensión
trr
0 [V ] a 5 [V ]
300 [ns]
−2 [V ] a 5 [V ]
100 [ns]
0 [V ] a 10 [V ]
400 [ns]
−2 [V ] a 10 [V ]
200 [ns]
Simulado VRM IRM = 1[kΩ] ] = −572, 42 [µA] − 572,423[mV 1[KΩ] 2,56[V ] − 1[KΩ] = −2, 56 [mA] 605,360[mV ] − 1[KΩ] = −605, 36 [µA] 2,60[V ] − 1[KΩ] = −2, 60 [mA]
Real
Qrr =
1 2
· IRM · trr
trr
IRM
Qrr
−85, 86 [pC]
1, 50 [µs]
−720 [µA]
−540 [pC]
−128 [pC]
680 [ns]
−2, 88 [mA]
−979, 2 [pC]
−121, 07 [pC]
2 [µs]
−1, 52 [mA]
−1, 52 [nC]
−260 [pC]
420 [ns]
−3, 20 [mA]
−672 [pC]
Cuadro 2: Valores prá ti os tabulados.
Diodo 1N4148 Tensión
trr
0 [V ] a 5 [V ]
25 [ns]
−2 [V ] a 5 [V ]
20 [ns]
0 [V ] a 10 [V ]
25 [ns]
−2 [V ] a 10 [V ]
20 [ns]
IRM =
Simulado VRM 1[kΩ]
] = −480, 95 [µA] − 480,950[mV 1[KΩ] 718,627[mV ] = −718, 63 [µA] − 1[KΩ] 576,533[mV ] = −576, 53 [µA] − 1[KΩ] 1,01[V ] − 1[KΩ] = −1, 01 [mA]
Real
Qrr =
1 2
trr
IRM
Qrr
−6, 01 [pC]
280 [µs]
−64 [µA]
−17, 92 [nC]
−7, 19 [pC]
-
-
-
−7, 20 [pC]
-
-
-
−10, 1 [pC]
-
-
-
· IRM · trr
Cuadro 3: Valores prá ti os tabulados.
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