Practica 2 Diodos rectificadores OBJETIVOS: 1.- Identificar el comportamiento rectificante en un diodo y el comportamiento óhmico en un resistor. 2.- Identificar el ánodo (región P) y el cátodo (región N) en un diodo rectificador. 3.- Obtener y comparar las curvas características (V-1) de diodos rectificadores de silicio y germanio. En cada caso, determinar el valor del voltaje del umbral y calcular las resistencias estática y dinámica en la región directa de conducción, para un punto de operación Q (Vp,Ip) arbitraria. 4.-Observar y reportar las variaciones que se presentan en la curva característica V-1, en el voltaje de umbral y en la corriente de fuga de los diodos rectificadores cuando varía la temperatura. DESARROLLO EXPERIMENTAL Conceptos básicos El funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente: En la zona de directa se puede considerar como un generador de tensión continua, tensión de codo (0.5-0.7 V para el silicio y 0.2-0.4 V para el germanio). Cuando se polariza en inversa se puede considerar como un circuito abierto. Cuando se alcanza la tensión de inversa de disrupción (zona inversa) se produce un aumento drástico en la corriente que puede llegar a destruir el dispositivo. Este diodo tiene un amplio rango de aplicaciones: circuitos rectificadores, limitadores, fijadores de nivel, protección contra cortocircuitos, demoduladores, mezcladores, osciladores, bloque y bypass en instalaciones fotovoltaicas, etc.
Cuando usamos un diodo en un circuito se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas características suministradas por el fabricante):
1.- La tensión inversa máxima aplicable al componente, repetitiva o no (VRRR máx. o VR máx., respectivamente) ha de ser mayor (del orden de tres veces) que la máxima que se va a soportar. 2.- La corriente máxima en sentido directo que puede atravesar al componente, repetitiva o no (IFRM máx. e IF máx. respectivamente). He de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar. 3.- La potencia máxima que puede soportar el diodo (potencia nominal) ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va soportar.
MATERIAL REQUERIDO. Osciloscopio de doble trazo Generador de señales
Multimetro analógico y/o digital. Una pinza de punta. Una pinza de corte. 6 cables caimán-caimán de 50 cm. 6 cables caimán-banana de 50 cm. 6 cables banana-banana de 50 cm. 4 cables coaxiales que tengan en un extremo terminación bnc y en el otro caimanes. Tablilla de conexiones (protoboard). 2 diodos de silicio 1N4004 o similar. 1 diodos de germanio 0A81 o similar. 2 resistores de 1k ohm a 0.5 watts. 1 Encendedor 1 lupa. EXPERIMENTOS. Identificar el comportamiento rectificante de un diodo. Armar el circuito mostrado en la figura. Colocar primero el diodo rectificador y observar el comportamiento de este elemento en el osciloscopio (en el modo XY) y dibujar la grafica que se obtiene.
V = 3.6 V F = 779.7 Hz. Elemento bajo prueba | Resistencia medida entre terminales T1(+) y T2(-). | Resistencia medida entre las terminales T1(-) y T2(+) | Díodo (comportamiento rectificante) | 1.5 MΩ | L | Identificar el ánodo (región P) y el cátodo (región P) en un diodo rectificador. Para la identificación de las terminales de un diodo rectificador, se pueden emplear diferentes métodos, se sugiere que se haga usando un óhmetro analógico y se llene la tabla 2. Medición de resistencia en un diodo de silicio y uno de germanio polarizado directa e inversamente usando la pila interna del óhmetro. Díodo | Resistencia medida entre las terminales A(+) y K(-). | Resistencia medida entre las terminales A-) y K(+) | De Silicio 1N4004 | 12Ω | 1KΩ | De Germanio OA81 | ∞ | ∞ | Mediante las mediciones reportadas en la tabla 2.1 diga, ¿ cuál de las terminales (T1, T2) corresponde al cátodo y cual al ánodo? T1_=_Ánodo_ y_T2_=_Cátodo. En la figura 5, dibuje con detalle la forma física y las indicaciones (con letra, número,
rayas, etc.) de cada uno de los diodos, indicando cual de las terminales es el ánodo y el cátodo. Diodo de silicio Diodo de Germanio Obtener y comparar la curva característica (V-1) de un diodo de silicio y uno de germanio. En cada caso determinar el voltaje de umbral y calcular la resistencia estática y dinámica en la región directa de conducción para un punto de operación Q(Vd, Id) arbitrario. Armar el circuito de la figura 2.4 colocar las terminales de osciloscopio como se muestra (usándolo en su modo XY) y obtener la curva característica V-1, de los diodos e silicio y germanio, reporta ambas graficas en la figura 7 y llenar la tabla 3 con los datos solicitados. V=6V F=685 Hz V=5V F=685 Hz Diodo bajo prueba | Voltaje de umbral medido en (V) | Voltaje máximo medido en la curva en (V) | Corriente máxima medida en la curva en (mA) | De Silicio 1N4004 | 4.2 | 6 | 5.0 | De Germanio OA81 | 2 | 5 | 5.5 | Observar y reportar las variaciones que se presentan en la curva característica, en el voltaje de umbral y en la corriente de fuga de los diodos rectificadores cuando aumenta la temperatura ambiente.
Para el diodo de silicio aumente la temperatura ambiente acercando el cerillo encendido el tiempo que sea necesario para que observe como la curva característica del dispositivo se modifica al grado de que el diodo se comporta como una resistencia de algunos cuantos ohm (al aumentar la temperatura el voltaje de umbral disminuye y la corriente de saturación inversa crece, si este aumento de temperatura es considerable puede hacer que el diodo se comporte casi como un corto circuito). Después de observar esto, retirar el cerillo encendido y esperar que el diodo recupere su característica “normal”. Puede suceder que el diodo ya no se recupere. esto significa que ha quedado dañado definitivamente, en el caso de que si se recupere, es preferible ya no utilizarlo en otras aplicaciones, debido a que en la mayoría de los casos en que se presentan estos calentamientos excesivos el dispositivo queda con algunas alteraciones que pueden dar problemas en el momento de su aplicación en otro circuito. Diodo de silicio al calentarlo por 10 segundos Diodo de germanio al calentarlo por 3 segundos CUESTIONARIO. 1.-Para el circuito de la figura 1 ¿Cuál de los dos elementos es el que presenta el comportamiento rectificante? ¿Por qué? El elemento que rectifica es el diodo, y el que presenta el comportamiento resistivo es el resistor. Esto se debe a que el diodo está fabricado de tal forma que cuando se le polariza de manera directa, se comporta como un conductor con un pequeño voltaje de umbral para ésta conducción y cuando lo polarizamos de manera inversa y no rebasamos el voltaje inverso pico, éste se comportará como un aislante. (De ahí el nombre de semiconductor). Cuando se le aplica un voltaje a un resistor, este siempre presentará una oposición al paso de la corriente independientemente del sentido de circulación de la misma a través de este elemento de circuito, debido a que está fabricado con carbón con el único
Objetivo de oponerse a la circulación de corriente en función del grado de concentración del mismo sin afectar, como ya se mencionó, el sentido de circulación de la corriente. 3.-Establezca un método general para identificar un diodo (comportamiento rectificante) de una resistencia (comportamiento resistivo), usando un óhmetro. R.-Para poder identificar en ánodo y el cátodo de un diodo utilizando un óhmetro, bastará con poner en contacto las terminales del diodo con las puntas del óhmetro y observar la lectura en la carátula; si presenta una resistencia en el orden de algunos mega ohm, será porque lo polarizamos directamente y podremos así relacionar el ánodo y el cátodo. El ÁNODO corresponderá a la terminal que está conectada en nuestro instrumento de medición en la entrada de ohm (Ω), y el CÁTODO será el que esté conectado a la punta de nuestro óhmetro en la entrada común (COM). Si conectamos el diodo a nuestro medidor con las puntas invertidas, entonces nos mostrará una lectura con una resistencia infinita, de ésta forma invirtiendo la lógica anterior, también podremos saber cuáles son el ánodo y el cátodo. 4.-Investigue de que otra forma se puede identificar el ánodo y el cátodo de un diodo usando los multímetros digitales, explique. R.-En los multímetros digitales actuales (FLUKE, PROAM, BK PRESICION, Y-F, etc.) es común encontrar dentro de sus funciones una que nos permite conocer la cantidad de voltaje que consume una unión P-N, a ésta función se le conoce Como probador de diodos. Cuando conectamos entre las terminales de nuestro multímetro un diodo, si la punta roja la ponemos con el ánodo y la punta negra la unimos al cátodo, la pantalla nos estará indicando la caída de voltaje en la unión P-N en su forma de polarización directa, esto es un voltaje aproximado a .7v para los diodos fabricados con Si y .3V para los de Ge. (En la realidad pocas veces se encuentra un semiconductor que presente una caída de voltaje cercana a su valor teórico, generalmente se tiene una caída de voltaje del orden de .55 V para el Sí y .25 V para el Ge.). Si ahora conectamos nuestro diodo haciendo coincidir la terminal roja de nuestro multímetro con el cátodo y la terminal negra con el ánodo, la pantalla se mostrará sin cambio con respecto de tenerlo sin conectarle ninguna terminal, debido a que la resistencia que estará presentando nuestro diodo es infinita y por lo tanto la caída de voltaje entre las terminales no cambia al conectar o no nuestro elemento. 5.-Cuando se polariza directamente un diodo con un voltaje menor al voltaje de umbral, ¿de qué orden espera medir el valor de la resistencia equivalente que presenta el diodo? R.-Las condiciones que plantea la pregunta no permiten conocer el valor óhmico de la unión P-N, debido a que un óhmetro generalmente es alimentado con una batería de por lo menos 3V, voltaje suficiente de ruptura para hacer entrar en conducción en polarización directa a cualquier diodo. Pero si analizamos la Condición planteada podemos deducir que si el voltaje de umbral no es rebasado por el voltaje de polarización de nuestro diodo, aunque la polarización de éste se haga de manera directa el diodo no entrará en conducción y por lo tanto presentará una
resistencia infinita. 6.-Determine el valor de la resistencia estática en la región directa de conducción (para le punto de operación con corriente de 2mA) tanto para el diodo de silicio como para el germanio, indique ¿cuál de los dos presenta mayor resistencia estática? (usar los resultados de la figura 2.4). R.-La resistencia estática de un diodo se define como: “La oposición al flujo de corriente que presenta un diodo cuando se le aplica un valor determinado de voltaje” Es evidente que el Silicio tiene una mayor resistencia estática que el Germanio, Este resultado no sorprende ya que es sabido que los diodos de Germanio entran en conducción con menos voltaje que los de Silicio. 7.-Determinar el valor de la resistencia dinámica en la región directa de conducción (para el punto de la grafica en que la corriente es de 2 mA), tanto para el diodo de silicio como para el germanio y diga ¿cuál de ellas es mayor? Usar los resultados de la figura 2.3 R.-La resistencia dinámica de un diodo, la podemos calcular de la gráfica de su curva característica estableciendo un punto de referencia (llamado Q) para la corriente, después trazamos una recta tangente al punto Q y definimos dos puntos equidistantes de la misma magnitud que la De la corriente del punto Q, después localizamos los puntos de intersección para el voltaje en éstos valores de corrientes y a ellos se le llamarán y , con éstos obtendremos la cantidad de voltaje y corriente implicada en la resistencia dinámica, obteniendo finalmente la resistencia dinámica. 8.- ¿Qué parámetro se debería de modificar en el circuito de la figura 2.3 para poder observar el voltaje de ruptura de los diodos rectificadores? R.-Si ponemos en nuestro circuito de la figura una fuente de voltaje con amplitud variable desde 0V hasta 10V, y observamos en el osciloscopio las gráficas generadas, podremos ver cómo crece la curva de conducción de los diodos conforme vamos aumentando la amplitud del voltaje de entrada 9.- ¿Cómo es el coeficiente de temperatura del voltaje de umbral de un diodo rectificador? R.-A medida que se incrementa la temperatura del diodo rectificador 1N4004, el voltaje de umbral se va acercando a cero, por lo que se dice que el coeficiente de temperatura afecta de manera significativa al este voltaje 10.-¿Como es el coeficiente de temperatura de la corriente de la figura de un diodo rectificador? R.-Para el caso de los diodos de Si, la corriente de fuga será más estable con el incremento de la temperatura que para los diodos de Germanio.
11.-Explique a que se debe la vibración, en la corriente de fuga de un diodo rectificador cuando se eleva la temperatura. R.-Cuando se incrementa la temperatura en el cuerpo del diodo rectificador, los electrones de los materiales N y P comenzarán a liberarse desmesuradamente de su estructura molecular a causa del exceso de energía que están absorbiendo del calor, provocando esto una conducción en la polarización directa e inversa; Es a esto que se debe el comportamiento de un diodo rectificador como resistor cuando se aumenta la temperatura en su cuerpo. CONCLUSIONES. El desarrollo de ésta práctica fue muy interesante y productivo, ya que me permitió conocer de una manera teórica-practica el porqué del comportamiento de los diodos en los diferentes sistemas electrónicos que lo utilizan. Anterior a éste trabajo, me era desconocido como afectaba directamente el calor a los diodos, pensaba en muchas posibilidades pero no sabía a ciencia cierta qué era lo que realmente ocurría cuando por un exceso en la demanda de la corriente, el diodo se ponía en corto dañando a todo el sistema. También pude observar cómo es que los pulsos negativos que no debería de conducir durante la polarización inversa del diodo, pasan por éste como si fuera un conductor y dañan así por ejemplo el capacitor de filtraje de una fuente y por consecuencia los sistemas conectados a ésta fuente. Cabe destacar la importancia de un buen diseño en las fuentes de alimentación para evitar que tengamos un consumo no apropiado por los diodos de nuestra fuente y por esta causa se pongan en corto y originen los problemas ya mencionados BIBLIOGRAFIA. Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones; Muhammad H. Rashid,Muhammad H. Rasid Virgilio González y Pozo Agustín Suárez Fernández
