(Report) Características del diodo

CARACTERÍSTICAS del DIODO Sergio A. Dorado (262043), Edgar Durán (261942), Sebastián Serna (285887)  Abstract—by this article it is explored a new circuit element known as junction diode. A diode is a non-linear semiconductor element that provides new functionalities into a system, given by its typical i-v characteristic. Through this paper it is explored the diode’s physical behaviour, the changes due to temperature variations and it is measured an important characteristic for diodes in high-power applications known as reverse recovery time. Keywords— pn junction, semiconductor junction diode, reverse recovery time

I. INTRODUCCIÓN

L

OS circuitos lineales tienen limitaciones a la hora de efectuar ciertas funciones. Es por ello que, para la solución de distintos tipos de problemas, fue necesario ampliar los conocimientos de teoría de circuitos y diseñar nuevos dispositivos que tuvieran ciertas características, las cuales debían traducirse en un circuito en un procesamiento específico de una señal, fuera del alcance del producido por un elemento lineal. Dichos elementos son los elementos de circuito no lineales, siendo de ellos el más fundamental el diodo rectificador. Los elementos no lineales de circuitos tienen una gran variedad de aplicaciones. Entre ellas, se resaltan las que tienen al diodo como principal protagonista. En lo que concierte al diodo rectificador, la más fundamental de sus aplicaciones resulta ser la generación de señales DC a partir de señales AC, y, en general, la síntesis de señales de varias formas de onda. Asimismo, muchos circuitos digitales lógicos y de memoria se basan en el funcionamiento del diodo y de otros elementos no lineales. El principal objetivo de este artículo es profundizar en las características básicas del diodo rectificador: su curva característica de corriente-voltaje, los efectos que tiene la temperatura en su funcionamiento, así como una característica bastante especial denominada tiempo de recuperación inversa. El tiempo de recuperación inversa del diodo está asociado con un cambio brusco en su polarización: de operar en la zona directa se pasa en un intervalo muy corto de tiempo a operar en la zona inversa. Con el modelo más sencillo del diodo, se puede entender un poco más de esta interesante situación. II. MARCO TEÓRICO a)

Caracterización del diodo

El diodo puede considerarse como el dispositivo electrónico de característica i-v no lineal más básico y fundamental. Existen muchos tipos de diodos, siendo los más conocidos y los más utilizados los rectificadores, los zeners y los diodos emisores de luz (LEDs), entre otros. Vale la pena señalar que el presente artículo se centra en el funcionamiento y las características del diodo rectificador [1]. Todo diodo se caracteriza por tener tres regiones de funcionamiento: región de polarización directa, región de polarización inversa y región de ruptura. Los rectificadores se diseñan para operar en la región de polarización directa, mientras que los zeners están especialmente diseñados para operar en la región de ruptura. Sin embargo, ésto no quiere decir que un diodo rectificador no pueda operar en región de ruptura, ni que un zener no pueda operar en región de rectificación. La principal diferencia radica en los parámetros de voltaje y corriente que caracterizan a cada dispositivo en la correspondiente región de operación. Para comprender el funcionamiento del rectificador, se tienen varios modelos matemáticos, cada uno de los cuales tiene sus respectivas ventajas y desventajas. Algunos de los modelos más utilizados son el modelo ideal, el modelo exponencial, el modelo de caída de voltaje constante, el modelo lineal por partes y el modelo de pequeña señal. Se expondrán de manera breve el modelo ideal y el modelo exponencial, por ser los más importantes para caracterizar al dispositivo en esta práctica de laboratorio. De manera general, el símbolo circuital del diodo se indica en la figura 1. El diodo cumple con la convención pasiva de signos. El terminal positivo se conoce como ánodo, y el negativo como cátodo. Se indica de manera genérica que la corriente apunta en la dirección de la flecha formada del ánodo hacia el cátodo.

Fig. 1. Representación circuital del diodo [2].

El modelo ideal del diodo trata únicamente con dos regiones de funcionamiento: la región de polarización directa y de polarización inversa. Cuando el diodo opera en la región directa, el modelo utilizado es el de un corto-circuito, mientras que en la región inversa, se modela el dispositivo como un circuito abierto.

ELECTRÓNICA ANÁLOGA I (2016495-1) – UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Fig. 2. Representación del diodo correspondiente al modelo ideal [3].

El dispositivo se dice que está encendido cuando la caída de tensión es igual a cero, y la corriente que circula en la dirección del diodo es positiva. En cambio, se dice que el dispositivo es negativo cuando el voltaje entre ánodo y cátodo es negativo, y la corriente que circula por el dispositivo es igual a cero. Este comportamiento se resume en la característica i-v del diodo.

2

comportamiento asintótico de la gráfica alrededor de este valor. Por ello, uno de los modelos más utilizados para el dispositivo es el modelo de caída constante del diodo, el cual lo modela como una fuente ideal de tensión de 0.7 V que implica una caída en el mismo valor cuando el diodo se encuentra en polarización directa. En la región de polarización inversa, la corriente se mantiene en un valor prácticamente nulo durante un largo intervalo de valores de tensión. Cuando se alcanza un voltaje denominado voltaje zener de rodilla, se producen grandes cambios de corriente en un pequeño intervalo de tensión. Dicha región se conoce como la región de ruptura y es característica de los diodos zener.

Fig. 3. Característica i-v del modelo ideal del diodo [4].

El modelo ideal es adecuado para ilustrar el comportamiento del dispositivo en varias aplicaciones. Sin embargo, dista bastante de la curva real del dispositivo. Fig. 5. Curva real del dispositivo ilustrando las tres regiones de operación [6].

Un modelo mucho más adecuado y cercano a la realidad es el modelo exponencial:

Los parámetros de este modelo son: 

Fig. 4. Característica i-v del diodo real [5].

Se puede ilustrar un poco más en detalle cada una de las regiones de operación del dispositivo haciendo un pequeño acercamiento en las escalas de los ejes. En la región de polarización directa, cuando en el intervalo de los 0.5 a los 0.7 V, se alcanzan grandes cambios en corriente debido a pequeños cambios en tensión. A partir de 0.7 V, podemos decir que existe una especie de



Is: La corriente de saturación es la corriente que existe cuando el diodo se encuentra en condiciones de polarización inversa. Generalmente, este valor está en el orden de microamperes para dispositivos de uso general, aunque para aplicaciones de alta potencia tiene unos valores un poco más altos [7]. Vt: Voltaje térmico. Definido por:

ELECTRÓNICA ANÁLOGA I (2016495-1) – UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA donde k es la constante de Boltzmann, Q es la magnitud de la carga fundamental del electrón y T es la temperatura del medio en grados Kelvin. Usualmente, para operaciones a condiciones normales, se toma el voltaje térmico como una constante, siendo ella de 25mV [8]. De esta ecuación, se puede ver con claridad que el funcionamiento del dispositivo depende de muchas variables, pero, de manera general, puede simplificarse su estudio. Sin embargo, es muy importante tener en cuenta todos estos parámetros y su posible impacto en el funcionamiento del diodo. En especial, la corriente de saturación y el voltaje térmico dependen de la temperatura. Un aumento de temperatura produce un desplazamiento de la curva del dispositivo hacia la izquierda. La corriente de saturación inversa será casi igual al doble en magnitud por cada 10°C de incremento en la temperatura [9]

3

Podemos definir en el diodo unos niveles de resistencia de acuerdo al tipo de circuito en el cual se encuentre operando el dispositivo. La resistencia estática o DC surge de alimentar al diodo con un voltaje continuo que produce una corriente que no varía en el tiempo. Dicho valor de tensión tendrá su correspondiente punto de corriente en la curva del dispositivo, situándose así en una región llamada punto de operación. La resistencia se obtiene al localizar el respectivo punto de operación y aplicar la siguiente fórmula [13]:

Los niveles de resistencia estática del diodo no son fijos, sino que dependen del punto de operación del dispositivo. En el punto de inflexión y hacia abajo, habrá mayores valores de resistencia, en tanto que en las partes verticales de la curva, correspondientes tanto a la región de polarización directa como de ruptura, las resistencias serán grandes [14]. Si se aplica una señal senoidal en vez de una señal DC, la situación cambia por completo puesto que la señal de entrada cambiará de manera instantánea el punto de operación hacia arriba y hacia abajo en la correspondiente región de funcionamiento del dispositivo. No obstante, si se trabaja con una pequeña señal que produzca una variación muy pequeña en tensión, que a su vez provoque un cambio de muy baja magnitud en corriente, se puede calcular un valor conocido como resistencia dinámica del diodo [15]:

Fig. 6. Curva del dispositivo a varias temperaturas [10].

Manteniendo constante la corriente del diodo, se ve que la tensión decrece en 2mV por un incremento de 1°C en la temperatura. Este hecho será muy importante a la hora de analizar los resultados del laboratorio [11].

Aplicando conceptos de cálculo diferencial, se puede llegar a la siguiente expresión para la resistencia dinámica del diodo, la misma definida para el modelo de pequeña señal, expresada en términos de una constante de ajuste (n), el voltaje térmico y la corriente en DC del dispositivo:

b)

Fig. 7. Curva característica del dispositivo ante un aumento de temperatura [12].

El diodo como dispositivo semiconductor

Básicamente, el diodo es un dispositivo semiconductor basado en la unión pn. La unión pn se realiza al poner en contacto un material semiconductor de tipo p con otro material semiconductor del tipo n. Técnicamente, se habla de unión pn cuando se establecen en un mismo cristal semiconductor, mediante implantación de iones o difusión de dopantes, una

ELECTRÓNICA ANÁLOGA I (2016495-1) – UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA región de tipo p y otra de tipo n. La operación del dispositivo se caracteriza por estas particularidades en la frontera. Se dice que un semiconductor es de tipo p cuando sus portadores de carga son de signo positivo. No obstante, en la realidad no acontece que un protón se mueva de un lugar a otro en una red conductora. Lo que realmente ocurre es que, al romperse un enlace covalente formado por los electrones de valencia de un átomo, un electrón queda libre, dejando un ión positivo con carga neta positiva. Así, el espacio libre dejado por el electrón se conoce como hueco. El ion positivo atrae a un electrón de un átomo vecino, que a su vez deja un hueco. Por ende, se puede decir que dicho hueco se "mueve" dentro de la red cristalina del semiconductor, pero, como representa la ausencia de una carga negativa, la magnitud de carga es positiva. Es así, que un semiconductor de tipo p se caracteriza por tener huecos como portadores de carga huecos, mientras que un semiconductor de tipo n en dicha función a los electrones [16]. En el diodo, se establece una región denominada región de agotamiento la cual está formada por iones inmóviles de gran tamaño, unos negativos y otros positivos, que crean una especie de barrera que mantiene alejados a los portadores mayoritarios y evita la conducción en condiciones de circuito abierto [17]. Se habla de polarización directa cuando la región de tipo p se conecta a un terminal positivo, y la región de tipo n se conecta a un terminal negativo. Lo anterior es equivalente a notar que el ánodo se encuentra a una tensión más elevada que el cátodo. Los portadores mayoritarios se repelen hacia la región de agotamiento (los electrones se alejan del terminal negativo y los huecos del terminal positivo). Así, se establece una circulación de corriente en el dispositivo, alimentada por el circuito externo [18]. En cambio, la polarización inversa ocurre cuando se conecta un terminal de tensión negativo a la parte positiva del diodo, y un terminal positivo a la pata negativa. De esta manera, los electrones son atraídos hacia la terminal positiva, y los huecos hacia la terminal negativa, alejándose de la unión. No obstante, se genera un flujo de portadores minoritarios que constituyen la ya mencionada corriente de desplazamiento. Hablamos de tiempo de recuperación cuando ocurre un cambio brusco en el estado del diodo, es decir, cuando pasa de estar encendido a estar apagado de manera repentina. Ahora bien, si se cambia la polaridad del dispositivo -conectar el ánodo a una tensión más baja que el cátodo, o invertir la polaridad de los terminales conectados al diodo-, ocurre un proceso de recombinación, debido a la atracción de las terminales hacia los portadores de carga mayoritarios. No obstante, el diodo no pasa inmediatamente de un estado de encendido a un estado de apagado, sino que se efectúa un proceso de transición, el cual tiene una duración que puede llegar a ser importante dependiendo de la aplicación en la cual se utilice el semiconductor [19]. El tiempo transcurrido entre el momento en el cual se cambió la polaridad de la fuente, y el momento en el que los portadores se han reorganizado para adoptar su configuración de polarización inversa, se conoce tiempo de recuperación

4

inversa. Esta característica no depende de la señal de entrada, por lo tanto, no depende de la frecuencia de operación del diodo. Sin embargo, la temperatura llega a tener una cierta influencia. A diferencia de los materiales conductores, los semiconductores presentan la propiedad de incrementar su conductividad –y por ende disminuir su resistencia- a medida que se incrementa la temperatura. Por ello, las corrientes a través del diodo llegan a ser más grandes ante las mismas tensiones. Así, a temperaturas elevadas, el tiempo de recuperación del dispositivo crece, porque se incrementa el número de portadores de carga, y la reorganización de los mismos tarda algunos instantes adicionales. En base a esta característica, existen unos diodos llamados “high-speed diodes” los cuales tienen un tiempo de recuperación mucho menor respecto a los diodos de uso común, o rectificadores. En las hojas de datos, los fabricantes especifican valores de tiempos de recuperación máximos para los rectificadores de la familia del 1N4001-07 de máximo 30μs. Bajo ciertas condiciones especiales de operación, los tiempos de recuperación del 1N4148 están en los 4ns.

III. PROCEDIMIENTO Y ANÁLISIS DE RESULTADOS La práctica se compuso de dos partes:   a)

         b)

Caracterización de la curva del diodo y su variación con la temperatura. Medida del tiempo de recuperación inversa. Materiales

1 osciloscopio de dos canales 1 generador de funciones 1 multímetro Fluke 1 fuente dual Resistencias de 1/4 W Resistencias de 10 W Diodo 1N4004 Diodo 1N4148 Sondas Caracterización de la curva del diodo y su variación con la temperatura

Para este experimento, se realizó el siguiente montaje con un diodo 1N4004 y la fuente dual. Como amperímetro y voltímetro se tomaron dos multímetros Fluke en estos respectivos modos de funcionamiento. A continuación se muestra el esquemático del circuito y el montaje realizado.


5

23.5

0.819

213.8

25

0.822

227.2

Al graficar los datos obtenidos por las mediciones, logramos reconstruir la curva del diodo, que exhibe justamente el comportamiento exponencial esperado.

Fig. 8. Esquemático para la caracterización de la curva del diodo [20].

Fig. 9. Montaje del circuito [21].

En la siguiente tabla, se muestran los resultados para las mediciones realizadas en el diodo a las temperaturas indicadas. TABLA I VOLTAJES Y CORRIENTES EN EL DIODO A TEMPERATURA AMBIENTE (≈20-25°C)

Voltaje fuente (V)

Voltaje en el diodo (V)

Corriente (mA)

0 1.5

0 0.686

0 8.4

Fig. 10. Curva del diodo a 20°C [22].

Para los datos registrados aumentando la temperatura del diodo, no tenemos una exactitud acerca de la temperatura en la cual se efectuaron las mediciones, porque el calentamiento se realizó acercando un cautín al diodo. Sin embargo, como se puede observar en la tabla, existió una variación de tensión en el diodo ante el mismo voltaje de fuente. A menor tensión, se observó una mayor corriente, o lo que es lo mismo, la misma corriente se presentó a un valor menor de tensión en el diodo respecto al experimento efectuado a temperatura ambiente. Lo anterior se debe a la característica semiconductora del diodo. Ya se mencionó en el marco teórico que al aumentar la temperatura, se aumenta el número de portadores de carga mayoritarios, y por tanto, una corriente mayor fluye a través del dispositivo. Lo anterior resulta en un desplazamiento a la izquierda de la curva del dispositivo.

3

0.728

22.2

4.5

0.748

35.7

6

0.762

49.5

TABLA II

7.5

0.774

64.8

VOLTAJES Y CORRIENTES EN EL DIODO AUMENTANDO SU

9

0.782

77.7

TEMPERATURA

10.5

0.789

91.9

12

0.795

106.5

13.5

0.8

121

15

0.803

134.1

16.5

0.807

148.3

18

0.811

163.2

19.5

0.813

175.3

21

0.816

189.5

Voltaje fuente (V)

Voltaje en el diodo (V)

Corriente (mA)

0 1.5 3

0 0.663 0.705

0 8.2 22.5

4.5

0.724

36.3

6

0.736

50.2

7.5

0.743

64.4

ELECTRÓNICA ANÁLOGA I (2016495-1) – UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 9

0.752

78.4

10.5

0.758

92.7

12

0.762

106.7

13.5

0.768

121.7

15

0.772

135.6

16.5

0.773

148.3

18

0.777

162.4

19.5

0.78

176.4

21

0.782

189.9

23.5

0.785

213.5

25

0.787

229.1

Fig. 11. Curva del diodo aumentando la temperatura [23].

A continuación, se hace una comparación de los valores de temperatura del diodo ubicando las curvas obtenidas en cada experimento en un mismo gráfico. Como era de esperarse, se ve un desplazamiento hacia la izquierda. En la tabla III se establece una variación en la tensión punto a punto y un correspondiente incremento térmico, calculado a partir del hecho que la variación de la curva con la tensión es de 20mV/°C. En el apéndice se puede ver esta gráfica a mayor escala.

6

Fig. 12. Comparación de las curvas de diodo obtenidas [24]. TABLA IV

VARIACIÓN DE LA TENSIÓN CON LA TEMPERATURA

0.686

Tensión a más alta temperatura (V) 0.663

0.023

1.15

0.728

0.705

0.023

1.15

0.748

0.724

0.024

1.2

0.762

0.736

0.026

1.3

0.774

0.743

0.031

1.55

0.782

0.752

0.03

1.5

0.789

0.758

0.031

1.55

0.795

0.762

0.033

1.65

Tensión a 20°C (V)

Variación en el voltaje (V)

Incremento térmico (°C)

0.8

0.768

0.032

1.6

0.803

0.772

0.031

1.55

0.807

0.773

0.034

1.7

0.811

0.777

0.034

1.7

0.813

0.78

0.033

1.65

0.816

0.782

0.034

1.7

0.819

0.785

0.034

1.7

0.822

0.787

0.035

1.75

Como se puede observar en la tabla, el incremento en tensión debido a un incremento de 1°C en temperatura es aproximadamente de -20mV, lo cual concuerda con lo teórico. Ahora, se muestra la gráfica que se obtiene al linealizar la gráfica anterior para determinar los valores de la corriente de saturación y del coeficiente de ajuste (n). El procedimiento matemático parte de la suposición que es un valor muy pequeño el cual puede despreciarse. Por ende, se tiene la siguiente expresión para el modelo exponencial:

Luego de cierto tratamiento matemático, puede llegarse a la siguiente expresión:

A partir de esta ecuación, puede determinarse tanto el valor de la corriente de saturación como de n. La corriente de saturación se obtuvo a partir del término independiente de la ecuación anterior, luego de hacer una regresión con ayuda de software de análisis de datos. Se


7

muestra el resultado en un factor adecuado de unidades, así como la ecuación de regresión.

Fig. 14. Gráfica de tensión contra corriente linealizada para el diodo a temperatura superior a la ambiente [26]. Fig. 13. Gráfica de tensión contra corriente linealizada para el diodo a temperatura ambiente [25].

TABLA VI DATOS LINEALIZADOS DE LA GRÁFICA PARA EL DIODO A TEMPERATURA SUPERIOR

TABLA V DATOS LINEALIZADOS DE LA GRÁFICA PARA EL DIODO A

Voltaje

Ln (Corriente)

0.663

2.104134154

0.705

3.113515309

0.724

3.591817741

0.736

3.916015027

0.743

4.165113633

0.752

4.361823927

0.758

4.529368473

0.762

4.670021158

TEMPERATURA AMBIENTE

Voltaje (V)

Ln (Corriente)

0.686

2.128231706

0.728

3.100092289

0.748

3.575150689

0.762

3.90197267

0.774

4.171305603

0.782

4.352855257

0.789

4.520701029

0.795

4.668144985

0.8

4.795790546

0.803

4.89858579

0.807

4.999237249

0.811

5.094976443

0.813

5.166498792

0.816

5.244389025

0.819

5.365040999

0.822

5.425830687

Ecuación

y = 24.168 x - 14.502 500 pA

0.768

4.801559

0.772

4.909709376

0.773

4.999237249

0.777

5.090062428

0.78

5.172754144

0.782

5.246497618

0.785

5.363636833

0.787

5.434158589

Ecuación

y = 27.005x - 12.1 5.51nA

Los resultados y su análisis muestran que la corriente de saturación aumenta al incrementarse la temperatura del dispositivo. Esto concuerda con lo esperado puesto que en los textos se referencia un incremento aproximado en magnitud de en un 100% por cada 10°C en los cuales suba la temperatura [27]. Como se pudo ver en los resultados, el incremento fue tan pronunciado, lo que indica un calentamiento significativo del dispositivo.

ELECTRÓNICA ANÁLOGA I (2016495-1) – UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Ahora, se procede con el cálculo del coeficiente de emisión, denominado también como coeficiente de ajuste. El valor teórico para diodos de silicio está en valores cercanos a 1. A continuación se muestran los valores calculados para este parámetro. TABLA VII

8

El cual es un valor bastante pequeño, conforme a lo esperado dado que el diodo se modela como una batería en serie con un corto circuito –diodo ideal-. c)

Tiempo de recuperación inversa del diodo

VALOR CALCULADO DEL COEFICIENTE DE EMISIÓN

Temperatura ambiente

Temperatura aumentada

1.63

1.35

Pueden aparecer grandes imprecisiones en la determinación de este valor debido a que una medida que esté alterada en una cifra decimal respecto a la real, infiere de manera significativa en escala logarítmica. No obstante, el valor calculado está bastante cerca del valor teórico del coeficiente, por lo que se puede decir que la aproximación es bastante buena. Finalmente, se determinó la resistencia dinámica del diodo. Este valor no es único, puesto que a medida que se cambia la región de operación del dispositivo, el valor puede aumentar o disminuir. Por ello, para valores grandes tanto de corriente como de tensión –en magnitud-, la resistencia dinámica es bastante pequeña. Para valores pequeños de corriente y de tensión, la resistencia puede llegar a ser grande. En este caso, se calculó la resistencia dinámica en la región creciente de la curva, en la cual la exponencial puede aproximarse como una línea recta. Para ello, se hizo un ajuste lineal de los datos. El inverso de la pendiente de la recta de ajuste correspondería a la resistencia dinámica del diodo – prácticamente constante- en esa región.

Como se mencionó en el marco teórico, este parámetro del diodo puede tener mucha importancia a la hora de diseñar un sistema de alta potencia. Para calcularlo, se montó el siguiente circuito:

Fig. 16. Esquemático del circuito de prueba [28].

Fig. 17. Montaje del circuito [29].

Para este experimento, se generó una onda cuadrada de 10 Vp, y se trabajó con la misma a distinta frecuencia. Previamente, se realizaron simulaciones con Spice, con tal de tener una intuición de los resultados que se podían obtener en el laboratorio. Los resultados de dichas simulaciones se presentan a continuación: TABLA VIII TIEMPOS DE RECUPERACIÓN DE ACUERDO A LAS SIMULACIONES Fig. 16. Curva ajustada linealmente del diodo en la región de conducción [27].

Tiempo de recuperación Así, se obtuvo que la resistencia dinámica del diodo en esa región era de

Frecuencia 1N4002

1N4148


200 Hz

34 μs

20 ns

600 Hz

3.6 μs

216 ns

20 kHz

3.86 μs

56 ns

200 kHz

2.5 μs

18 ns

Promedio

10.99 μs

77.5 ns

TABLA IX TIEMPOS DE RECUPERACIÓN MEDIDOS EN EL LABORATORIO

Tiempo de recuperación Frecuencia 1N4004

1N4148

200 Hz

7.5 μs

No se puede determinar

600 Hz

7.5 μs

No se puede determinar

20 kHz

7.5 μs

≈ 400 ns

200 kHz

2.3 μs*

≈ 400 ns

9

altas, se tiene un período menor de la señal, y el cambio de polaridad se producirá en un instante de tiempo menor, lo cual permitirá distinguir mejor en la gráfica la distorsión generada por la reorganización de los portadores. Para el caso del 4004, fue muy sencillo distinguir el tiempo de recuperación a frecuencias altas. Este parámetro pasaba inadvertido a escalas normales para frecuencias bajas, pero pudo observarse gracias al tipo de osciloscopio utilizado. En cambio, para el 4148, no se observó la curva cuando se trabajaron frecuencias bajas. A medida que se aumentó la frecuencia, fue posible distinguir la curvatura buscada, realizando una medición de 400 ns aproximadamente para el parámetro de interés. El tiempo especificado por el fabricante fue de 4 ns, bajo ciertas condiciones de prueba. Este hecho nos generó cierta incertidumbre inmediata, la cual buscamos erradicar al efectuar una medición a la frecuencia más alta que podíamos generar con el generador de señales. Para 1MHz, observamos exactamente la misma característica que para 200kHz y 20kHz, con un tiempo en el rango de 400 a 500 ns. Por tanto, concluimos que con el montaje establecido, no se recrearon las condiciones de prueba especificadas por el fabricante en la hoja de datos, y por lo tanto, el valor que se encontró distó en una gran proporción del valor informado. Vale la pena señalar que, a pesar de esta gran diferencia, el tiempo de recuperación del diodo 4148 es mucho menor que el tiempo de recuperación del 4004. Lo anterior confirma el por qué estos diodos se llaman diodos de alta velocidad. Las simulaciones y las imágenes del osciloscopio obtenidas en el laboratorio y correspondientes a cada medición, están consignadas en el apéndice. IV. RESPUESTAS A PREGUNTAS SUGERIDAS

Es bastante notorio que hay una gran diferencia entre los tiempos de recuperación simulados y los medidos a través del circuito en la práctica. Se podría pensar que todo se debe al tipo de diodo, ya que en las simulaciones se trabajó con un 4002, mientras que en la práctica se montó el circuito con un 4004. Sin embargo, en el datasheet del fabricante el tiempo máximo de recuperación es de 30 μs para ambos diodos, por lo que el tipo de dispositivo no es un factor que se tenga que considerar. La temperatura ambiente pudo tener alguna influencia, pero no debería ser tan notoria, teniendo en cuenta que el simulador contextualiza el circuito en condiciones muy cercanas a las experimentadas. Por ende, la causa de tal diferencia está en el simulador. En primer lugar, no se pudo generar una onda perfectamente cuadrada. En la parte descendente siempre hubo una especie de rampa, la cual no permitía que el cambio de polaridad en el diodo fuera tan brusco como debiera ser si la onda fuera de forma ideal. Adicionalmente, como el simulador trabaja punto a punto, los intervalos de tiempo tan pequeños que representaban los tiempos de recuperación pudieron ser ignorados o descartados por considerarse, erróneamente, como una equivocación en los cálculos. Los resultados experimentales muestran que el no depende de la frecuencia de la señal en la que se esté trabajando. La frecuencia actúa como una herramienta que permite visualizar el , puesto que ante frecuencias más

A continuación, se da respuesta a las preguntas sugeridas en la guía de trabajo. ¿Cuál frecuencia es mejor para trabajar el tiempo de recuperación inversa y por qué? Justifique su respuesta. Como se pudo observar en el análisis de resultados, la frecuencia de la señal no afecta en lo absoluto el tiempo de recuperación inversa de los diodos. El único aspecto en el cual puede llegar a afectar la frecuencia es la facilidad con la cual se realiza el proceso de medición: a frecuencias más altas, fue mucho más sencillo visualizar el cambio en la curva generado por la reorganización de los portadores. Recordemos que a mayor frecuencia, menor período de la señal, y el se convierte entonces en un lapso mucho más significativo respecto al período total de la señal. Este hecho es bastante importante cuando se consideran diodos, como el 1N4148, con un tiempo de recuperación bastante pequeño, el cual prácticamente es invisible a frecuencias bajas. ¿Qué cambio se obtuvo al variar la temperatura en la primera parte de la práctica? Al analizar las tablas de voltaje y corriente en el diodo para las diferentes tensiones entregadas por la fuente, los resultados muestran que al aumentar la temperatura del diodo, el voltaje

ELECTRÓNICA ANÁLOGA I (2016495-1) – UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA disminuye en unas cuantas décimas de voltio, mientras que la corriente se mantuvo prácticamente constante. Esto coincidió con las predicciones teóricas, debido que al aumentar la temperatura, la curva característica del dispositivo se corre hacia la izquierda. Entonces, a menores valores de voltaje se consiguen las mismas corrientes. Una relación bastante sencilla, obtenida a partir del modelo exponencial del diodo, existe entre la temperatura y la tensión:

donde α es una constante de ajuste que se denomina coeficiente de temperatura que tiene el valor de -2.5 mV/°C para diodos de germanio y -2mV/°C para diodos de silicio.  es la nueva temperatura  es una temperatura de referencia, usualmente ambiente.  es el voltaje del diodo a esa temperatura.  es el voltaje a la nueva temperatura. Existe una relación lineal con una pendiente negativa. Por tanto, mayor temperatura, menor voltaje. ¿El del diodo encontrado concuerda con el dado por el fabricante? Sustente su respuesta. En esta práctica se debía encontrar el tiempo de recuperación inversa para dos diodos diferente, por lo que esta pregunta se responderá para los dos casos por separado: 



1N4004: En este caso el tiempo máximo de recuperación inversa dado por el fabricante es de 30 μs (ver apéndice). Se especifica como tiempo máximo, no como valor único, dado que este parámetro puede variar con la temperatura principalmente, entre otros factores, debido a la característica semiconductiva del diodo. Los tiempos medidos durante la práctica fueron en promedio 7.5 μs, y según el fabricante el de este diodo, a 25°C, es de máximo 30 μs. En síntesis, los encontrados estuvieron dentro del rango determinado por el fabricante en el datasheet. 1N4148: En este caso los resultados fueron bastante imprecisos ya que el es tan sólo de 4ns, a unas condiciones específicas de funcionamiento. Por más que se intentó ampliar la escala para visualizar el fenómeno, no fue posible distinguir un valor exacto en frecuencias bajas para este parámetro. En altas frecuencias, no se tenía la nitidez deseada, pero se alcanzó a distinguir la curva que caracteriza el instante en el cual los portadores se están reorganizando. De todas maneras, los valores obtenidos, en el rango de cientos de nanosegundos, estuvieron distantes de los dados por el fabricante. Razones para este comportamiento hay bastantes. En primer lugar, el fabricante especifica este valor de con una corriente, una resistencia, y otros parámetros de prueba, que en totalidad no se tuvieron en cuenta

10

para el ensayo práctico. Aparte, se presentó el inconveniente de que ambos diodos (1N4148) de los dos montajes realizados, estaban dañados, por lo que la medida fue sobre un diodo prestado, el cual pudo tener una configuración distinta por más que se tratase de la misma referencia. De todas maneras, es preciso recordar que en un diodo de alta velocidad hay un gran efecto de la temperatura en el valor de este parámetro. En general, la medida fue bastante acertada con el diodo rectificador normal, mientras que en el segundo caso la medida no concuerda con los datos del fabricante. Es preciso señalar que la mayor parte de los errores al medir el tienen su causa en errores humanos y en los instrumentos, puesto que en ciertos casos se seleccionan dispositivos los cuales no pueden mostrar una escala tan fina para detallar una característica tan especial como la asociada a la medición del valor del parámetro en cuestión. Compare sus resultados teóricos con los simulados, ¿qué puede concluir al respecto?

resultados

En la siguiente tabla se comparan los datos dados por el fabricante para la característica de interés, y un promedio de los datos ya mostrados obtenidos por simulaciones. TABLA X COMPARACIÓN DE TIEMPOS DE RECUPERACIÓN SIMULADOS CON LOS DEL DATASHEET DEL DIODO RESPECTIVO

1N4004

promedio simulaciones 10.99 μs

1N4148

77.5 ns

Diodo

máximo fabricante 30 μs 4 ns

Los tiempos de recuperación inversa calculados por medio de las simulaciones no son demasiado fiables, dado que la señal generada no fue perfectamente cuadrada: presentó una serie de rampas en el descenso de la onda, lo que se tradujo en que el cambio brusco de polaridad que se deseaba provocar en el diodo fuera muchísimo más suave. Analizando el diodo 1N4004, el tiempo de recuperación inversa es mucho menor al dado por el fabricante, pero se encuentra en el mismo orden de magnitud. Aparte del ya mencionado factor de la rampa de bajada de la onda, la temperatura también pudo haber jugado un papel importante para la diferencia entre ambos valores: el simulador trabaja con una temperatura de 27°C, y el fabricante que trabaja en condiciones límite para dar un valor máximo de la característica deseada. Como se ha tratado antes en este artículo, los resultados fueron más similares a los obtenidos en el laboratorio (aproximadamente 17°C). Para el 1N4148, se ve la mejora significativa de la medida simulada en relación a la calculada en el laboratorio -400 ns-, aunque sigue siendo bastante elevada en comparación a la del datasheet. Esta diferencia puede atribuirse en un gran

ELECTRÓNICA ANÁLOGA I (2016495-1) – UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA porcentaje a la rampa de descenso, puesto que la temperatura de simulación -27°C- es bastante cercana a la temperatura de prueba -25°C-. V. CONCLUSIONES Esta práctica sirvió para confirmar la validez del modelo exponencial como la más completa descripción matemática del funcionamiento del diodo semiconductor. A través del calentamiento del dispositivo, se vio el efecto de la temperatura en un semiconductor, contrario a la influencia de la misma en un material conductor, tal como un cable o una resistencia de carbón. A medida que se calentó el dispositivo, se obtuvo una mayor corriente a tensiones menores –o la misma corriente a una menor tensión-. Se observó el desplazamiento de la curva característica hacia la izquierda, y se calcularon los parámetros de corriente de saturación y de coeficiente de emisión, incluidos en el modelo exponencial. Asimismo, se verificó que la resistencia dinámica del diodo es una cantidad bastante pequeña cuando se trabaja en región de polarización directa. Por otra parte, el tiempo de recuperación inversa se pudo calcular con facilidad para el 1N4004 a frecuencias mediasaltas. No se puede decir lo mismo para el 1N4148, el cual fue imposible de observar a frecuencias bajas, y produjo muchas dificultades a la hora de analizar la curva en frecuencias altas (considerando incluso la más alta entregada por el generador de señales). Al comparar los resultados obtenidos con las simulaciones y los datos dados por el fabricante, se concluye que las simulaciones no son exactas ni efectivas a la hora de calcular este parámetro, y que los valores obtenidos en el laboratorio se hallan mediante ciertas condiciones estándar que no contemplan en su totalidad los valores límites en los cuales se realizan las pruebas por parte del fabricante. En síntesis, fue una práctica bastante interesante, la cual sirvió para comprender algunos conceptos no muy usuales en la teoría pero de mucha importancia en las aplicaciones, así como para detallar el funcionamiento del diodo. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]

A. Sedra. “Microelectronic circuits”. Oxford University Press. Sixth edition. p. 166. Ibid. p. 167. Ibid. p. 167. Ibid. p. 167. Ibid. p. 174. Ibid. R. Boylestad. "Electronic devices and circuit theory". Seventh edition. p. 12. R. Boylestad. "Electrónica: Teoría de circuitos". Sexta edición. p. 16. Ibid. p. 17. Ibid. p. 14. A. Sedra. “Microelectronic circuits”. p. 177. Ibid. p. 178. R. Boylestad. “Electrónica: Teoría de circuitos”. p. 18. Ibid. p. 19. Ibid. p. 19. W. Smith. “Fundamentos de ciencia e ingeniería de materiales”. McGraw-Hill. Cuarta edición. p. 810. A. Sedra. "Circuitos microelectrónicos". Oxford University Press. Cuarta edición. p. 157. [en línea] [citado el 28 de Agosto de 2012]. Op. Cit. p. 155-167. Tomado de la guía del laboratorio.

[21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29]

Tomada por Sergio A. Dorado. Gráfica obtenida a través de Origin Lab. Ibid. Ibid. Ibid. Ibid. Generada con Origin. Tomada de la guía del laboratorio. Tomada por Sergio A. Dorado.

11


VI. a)

12

APÉNDICE

Simulaciones

Para los diodos 1N4002 –de la misma familia del 1N4004-, y 1N4148 se realizaron simulaciones a cada una de las siguientes frecuencias:    

200 Hz 600 Hz 20 kHz 200 kHz

Adicionalmente, se muestra la gráfica de la corriente en el diodo. Las gráficas y las simulaciones aquí mostradas fueron generadas utilizando el simulador Spice. Se advierte que las simulaciones realizadas tienen muchos errores respecto a las observaciones hechas en el laboratorio, principalmente debido a que, a pesar de configurar la forma de onda, no se consiguió una señal cuadrada perfecta que provocara un cambio brusco e instantáneo de polaridad, lo cual no permitió tener unos resultados tan precisos como se quisiera. Asimismo, como el simulador funciona al calcular punto a punto los valores de la simulación, se contaba con mucha incertidumbre debido a que los resultados entre ejecución y ejecución en muchos instantes variaban demasiado, debido a errores en el cálculo punto a punto o a la caché del programa. Es importante señalar que el programa simula los circuitos a una temperatura de 25°C. De la misma manera, en algunas gráficas se muestra un cursor, que es una ayuda del software. Con los datos que entregaba el software a través de esta función fue posible calcular los simulados.

1.

1N4002 – 200 Hz

Fig. 1. Esquemático.

Fig. 2. Corriente en el diodo.

ELECTRÓNICA ANÁLOGA I (2016495-1) – UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 2.

1N4002 – 600 Hz



3.

1N4002 – 20 kHz



4.

1N4002 – 200 kHz

13




5.

1N4148 – 200 Hz



14


6.

1N4148 – 600 Hz



7.

1N4148 – 20 kHz



8.

1N4148 – 200 kHz

15


16



b)

Mediciones del tiempo de recuperación en el osciloscopio

El osciloscopio utilizado para la práctica fue un Tectronix TDS-210. El proceso para realizar la medición fue relativamente sencillo, ya que nos concentramos en la rampa descendiente de la curva de tensión en la resistencia, ajustamos la escala de segundos por división hasta un valor preciso que permitiera visualizar el fenómeno. Las imágenes que se muestran a continuación fueron tomadas en el laboratorio. En la parte inferior se puede indicar el número de cuadros por división en la pantalla del osciloscopio. 1.

1N4004 – 200 Hz

Fig. 17. Tiempo de recuperación en el osciloscopio.

2.

1N4004 – 600 Hz



3.

1N4004 – 20 kHz


4.

1N4004 – 200 kHz

17



5.

1N4148 – 200 Hz


18

ELECTRÓNICA ANÁLOGA I (2016495-1) – UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA 6.

1N4148 – 600 Hz


7.

1N4148 – 20 kHz


8.

1N4148 – 200 kHz

19



Fig. 25. Comparación entre las curvas del diodo obtenidas en clase (ampliado).

20

1N4001 THRU 1N4007 GENERAL PURPOSE PLASTIC RECTIFIER Reverse Voltage - 50 to 1000 Volts

Forward Current - 1.0 Ampere

DO-204AL

FEATURES ♦ The plastic package carries Underwriters Laboratory Flammability Classification 94V-0 ♦ Construction utilizes void-free molded plastic technique ♦ Low reverse leakage ♦ High forward surge current capability ♦ High temperature soldering guaranteed: 250°C/10 seconds, 0.375" (9.5mm) lead length, 5 lbs. (2.3kg) tension

1.0 (25.4) MIN. 0.107 (2.7) 0.080 (2.0) DIA.

0.205 (5.2) 0.160 (4.1)

MECHANICAL DATA Case: JEDEC DO-204AL molded plastic body Terminals: Plated axial leads, solderable per MIL-STD-750, Method 2026 Polarity: Color band denotes cathode end Mounting Position: Any Weight: 0.012 ounce, 0.3 gram

1.0 (25.4) MIN. 0.034 (0.86) 0.028 (0.71) DIA. NOTE: Lead diameter is 0.026 (0.66)

0.023 (0.58)

for suffix "E" part numbers

Dimensions in inches and (millimeters)

MAXIMUM RATINGS AND ELECTRICAL CHARACTERISTICS Ratings at 25°C ambient temperature unless otherwise specified.

SYMBOLS

1N 4001

1N 4002

1N 4003

1N 4004

1N 4005

1N 4006

1N 4007

UNITS

*Maximum repetitive peak reverse voltage

VRRM

50

100

200

400

600

800

1000

Volts

*Maximum RMS voltage

VRMS

35

70

140

280

420

560

700

Volts

*Maximum DC blocking voltage

VDC

50

100

200

400

600

800

1000

Volts

*Maximum average forward rectified current 0.375" (9.5mm) lead length at T A=75°C

I(AV)

1.0

Amp

*Peak forward surge current 8.3ms single half sine-wave superimposed on rated load (JEDEC Method) TA=75°C

IFSM

30.0

Amps

*Maximum instantaneous forward voltage at 1.0A

VF

1.1

Volts

*Maximum full load reverse current full cycle average 0.375" (9.5mm) lead length at TL=75°C

IR(AV)

30.0

µA

IR

5.0 50.0

µA

trr

30.0

µs

*Maximum DC reverse current at rated DC blocking voltage

TA= 25°C TA=100°C

Typical reverse recovery time (NOTE 1) Typical junction capacitance (NOTE 2) Typical thermal resistance (NOTE 3) Maximum DC blocking voltage temperature *Operating junction and storage temperature range

CJ

15.0

pF

RΘJA RΘJL

50.0 25.0

°C/W

TA

+150

°C

TJ, TSTG

-50 to +175

°C

NOTES: (1) Measured on Tektronix Type "S" recovery plug-in. Tektronix 545 Scope or equivalent, IFM=20mA, IRM=1mA (2) Measured at 1.0 MHz and applied reverse voltage of 4.0 Volts (3) Thermal resistance from junction to ambient and from junction to lead at 0.375" (9.5mm) lead length, P.C.B. mounted *JEDEC registered value

4/98

RATINGS AND CHARACTERISTIC CURVES 1N4001 THRU 1N4007 FIG. 2 - MAXIMUM NON-REPETITIVE PEAK FORWARD SURGE CURRENT

1.0

30

60 HZ RESISTIVE OR INDUCTIVE LOAD

PEAK FORWARD SURGE CURRENT, AMPERES

AVERAGE FORWARD RECTIFIED CURRENT, AMPERES

FIG.1 - FORWARD CURRENT DERATING CURVE

0.8 0.2 x 0.2” (5.0 x 5.0mm) COPPER PADS

0.6

0.4

0.2

8.3ms SINGLE HALF SINE WAVE (JEDEC Method) TA=75°C

25

20

15

10

0.375” (9.5mm) LEAD LENGTH

0

5.0 0

25

50

75

100

125

150

175

1

AMBIENT TEMPERATURE, °C

10

100

NUMBER OF CYCLES AT 60 HZ

INSTANTANEOUS REVERSE CURRENT, MICROAMPERES

FIG. 4 - TYPICAL REVERSE CHARACTERISTICS FIG. 3 - TYPICAL INSTANTANEOUS FORWARD CHARACTERISTICS INSTANTANEOUS FORWARD CURRENT, AMPERES

20 10 TJ=25°C PULSE WIDTH=300µs 1% DUTY CYCLE

1

0.1

0.01 0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

INSTANTANEOUS FORWARD VOLTAGE, VOLTS

1,000

100 TJ=150°C

10 TJ=100°C

1

0.1 TJ=25°C

0.01 0

20

40

60

80

100

PERCENTAGE OF PEAK REVERSE VOLTAGE, %

FIG. 5 - TYPICAL JUNCTION CAPACITANCE TJ=25°C f=1.0 MHz Vsig=50mVp-p

10

1 0.1

1

10

REVERSE VOLTAGE, VOLTS

100

FIG. 6 - TYPICAL TRANSIENT THERMAL IMPEDANCE TRANSIENT THERMAL IMPEDANCE, °C/W

JUNCTION CAPACITANCE, pF

100

100

10

1

0.1 0.01

0.1

1 t, PULSE DURATION, sec.

10

100

1N4148 Vishay Semiconductors

Small Signal Fast Switching Diodes Features • Silicon epitaxial planar diodes • Electrically equivalent diodes: 1N4148 - 1N914 • Compliant to RoHS Directive 2002/95/EC and in accordance to WEEE 2002/96/EC • Halogen-free according to IEC 61249-2-21 definition

Applications

94 9367

• Extreme fast switches

Mechanical Data Case: DO-35 Weight: approx. 105 mg Cathode band color: black Packaging codes/options: TR/10K per 13" reel (52 mm tape), 50K/box TAP/10K per ammopack (52 mm tape), 50K/box

Parts Table Part 1N4148

Ordering code

Type marking

Remarks

1N4148-TAP or 1N4148-TR

V4148

Ammopack/tape and reel

Absolute Maximum Ratings Tamb = 25 °C, unless otherwise specified Parameter

Test condition

Symbol

Value

Unit

VRRM

100

V

Repetitive peak reverse voltage

VR

75

V

IFSM

2

A

IFRM

500

mA

IF

300

mA

VR = 0

IFAV

150

mA

l = 4 mm, TL = 45 °C

Ptot

440

mW

l = 4 mm, TL  25 °C

Ptot

500

mW

Reverse voltage tp = 1 µs

Peak forward surge current Repetitive peak forward current Forward continuous current Average forward current Power dissipation

Thermal Characteristics Tamb = 25 °C, unless otherwise specified Parameter Thermal resistance junction to ambient air Junction temperature Storage temperature range

Document Number 81857 Rev. 1.3, 29-Oct-10

Test condition

Symbol

Value

Unit

l = 4 mm, TL = constant

RthJA

350

K/W

Tj

175

°C

Tstg

- 65 to + 150

°C

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1N4148 Vishay Semiconductors Electrical Characteristics Tamb = 25 °C, unless otherwise specified Parameter

Test condition

Symbol

Max.

Unit

IF = 10 mA

VF

1000

mV

VR = 20 V

IR

25

nA

VR = 20 V, Tj = 150 °C

IR

50

µA

5

µA

Forward voltage Reverse current

VR = 75 V

IR

Breakdown voltage

IR = 100 µA, tp/T = 0.01, tp = 0.3 ms

V(BR)

Diode capacitance

VR = 0, f = 1 MHz, VHF = 50 mV

CD

Rectification efficiency Reverse recovery time

Min.

Typ.

100

V 4

pF

VHF = 2 V, f = 100 MHz

r

IF = IR = 10 mA, iR = 1 mA

trr

8

ns

IF = 10 mA, VR = 6 V, iR = 0.1 x IR, RL = 100 

trr

4

ns

45

%

Typical Characteristics Tamb = 25 °C, unless otherwise specified 1000

VF - Forward Voltage (V)

1.0

I F = 100 mA

0.8 10 mA 0.6

1 mA

0.4 0.1 mA 0.2 0 - 30

Tj = 25 °C 100

Scattering Limit 10

1 0

30

60

90

1

120 94 9098

Tj - Junction Temperature (°C)

94 9169

IR- Reverse Current (nA)

1.2

Figure 1. Forward Voltage vs. Junction Temperature

10

100

VR- Reverse Voltage (V)

Figure 3. Reverse Current vs. Reverse Voltage

1000 IF - Forward Current (mA)

1N4148 100 Scattering Limit 10

1 TJ = 25 °C

0.1 0 94 9170

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

VF - Forward Voltage (V)

Figure 2. Forward Current vs. Forward Voltage

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1N4148 Vishay Semiconductors

0.55 (0.022) max.

Cathode identification

25.4 (1.000) min.

3.4 (0.134) max.

1.5 (0.059)

1.75 (0.069)

Package Dimensions in millimeters (inches): DO-35_02

25.4 (1.000) min.

Document no.: 6.560-5004.12-4 Created - Date: 17. March 2008 21145

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Revision: 12-Mar-12

1

Document Number: 91000

(Report) Características del diodo

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