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DIODOS D. Medina, A. Rodríguez
[email protected]
R esumen — En siguiente informe se observará el informe del
laboratorio en el cual se quiere observar el comportamiento de dos tipos de diodos, el diodo común en el cual se encuentra que sólo puede ser polarizado en directa o del contrario no permitirá el paso de la corriente, es decir podrá modelarse como un circuito abierto. Por otro lado, cuando el diodo zener es polarizado en directa funciona como un diodo cualquiera, mientras que si es polarizado en inversa llegando al punto de ruptura en el cual va a mantener el voltaje así haya variación en la corriente. Durante la práctica se observó que los diodos tienen diferentes aplicaciones y que una de sus funciones más importantes es la de rectificar, recortar o limitar el voltaje. P alabr alabr as clave — Diodo común, diodo zener, voltaje,
Figura 2. El voltaje positivo positivo indica que está polarizado polarizado en directa y el negativo en inversa.
corriente.
I. I NTRODUCCIÓN Para empezar, es importante tener conocimiento respecto a los diodos, puesto que, aunque son los elementos más básicos utilizados en electrónica tienen conceptos un poco complejos de apropiar. En primer lugar, los diodos son elementos electrónicos semiconductores hechos por lo general de Germanio o Silicio y que están dopados con elementos trivalentes o pentavalentes que conducen corriente en un sentido, pero no en el otro [1]. Por lo tanto, estos funcionan como una especie de interruptor. El símbolo con el cual e representa el diodo se muestra en la figura 1, en la que se puede evidenciar el sentido del voltaje y de la corriente.
Por otro lado, los diodos zener, llamado así debido a que tiene un funcionamiento similar similar al del efecto zener. El efecto zener se basa en el uso de tensiones inversas que genera fuertes campos eléctricos que rompen os enlaces y dejan electrones libres que permiten el paso de la corriente. En el que al someterlo a la tensión nominal (independiente para cada tipo de diodo) deja alcanzar una tensión constante e independiente de la corriente que circula por el [2]. Con los diferentes tipos de diodos se pueden realizar diferentes tipos de aplicaciones como lo son los recortadores que se encargan de recortar una porción de una señal alternante como se muestra en la imagen 3.
Figura 1. Representación gráfica gráfica del diodo.
En la figura 2 puede apreciarse la gráfica i Vs. v típica para un diodo de silicio, en la cual puede deducirse que este no es un dispositivo lineal y que el comportamiento de este es bastante particular.
D. Medina, A. Rodríguez son estudiantes del Programa de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de La Salle, Bogotá D.C., Colombia (correos e.:
[email protected];;
[email protected] [email protected] [email protected])).
Figura 3. Ejemplos de circuitos circuitos recortadores.
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II. C ÁLCULOS TEÓRICOS Y SIMULACIÓN. Los siguientes gráficos y datos están organizados con respecto al orden en que está diseñada la práctica.
Gráfica I Vs. V Circuito 1.a 0 ) -5 A n ( e -10 t n e i r -15 r o o C -20
0
1
2
3
4
5
6
Figura 4. : Diseño del circuito 1.a utilizando un diodo común.
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Voltaje (V)
Gráfica 1. Representación de los datos de Corriente Vs. Voltaje para el circuito 1a.
Gráfica I Vs. V Circuito 1.b
Figura 5. Diseño del circuito 1.b utilizando un diodo zener.
En los circuitos anteriores se puede apreciar un circuito alimentado por una fuente de corriente continua, una resistencia variable y una estándar, junto con un diodo para el circuito a y un diodo zener para el circuito b.
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) A n ( 20 e t 10 n e i r 0 r o o C
0
2
4
6
Voltaje (V)
Gráfica 2. Representación de los datos de Corriente Vs. Voltaje para el circuito 1b.
Para la práctica de diodos se realizaron las simulaciones de cada circuito descrito para la práctica, utilizando el programa Orcad Capture CIS. Los cuales se clasificarán de la siguiente manera:
Figura 6. Diseño del circuito 2 en onda cuadrada.
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Figura 7. Grafica con el diodo en posición normal.
Figura 8. Grafica con el diodo en posición invertida.
En la figura 6, 7 y 8, se realiza el montaje y se analiza un circuito con un generador de señales en el cual se configura una onda cuadrada y el efecto que tiene el diodo en él.
Figura 10. Grafica con el diodo en posición normal.
Figura 11. Grafica con el diodo en posición invertida.
Lo que se muestra en las figuras 9, 10 y 11 es un circuito alimentado por una fuente senoidal de 10 v de amplitud junto con un diodo estándar y una resistencia en serie.
Figura 12. Circuito con señal senoidal con resistencia y diodo en serie. Figura 9. Circuito con señal senoidal con resistencia y diodo en serie.
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Figura 13. Grafica con el diodo en posición normal.
Figura 16. Grafica con el diodo en posición normal.
Figura 14. Grafica con el diodo en posición invertida.
En las figuras 12,13 y 14 se observa un circuito similar al de la figura 9, pero con la ubicación del diodo y la resistencia invertidos. También se puede analizar el comportamiento de las ondas de salida y entrada del circuito.
Figura 15. Circuito con señal senoidal con resistencia, diodo y una fuente de corriente directa de 5 v en serie.
Figura 17. Grafica con el diodo en posición invertida.
En el circuito de la figura 15 se observa un circuito que a diferencia de los demás implementa una fuente dc de voltaje de 5 voltios.
Figura 18. Montaje en señal sinusoidal, diodos comunes, zener y fuente dc.
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En la siguiente imagen, Simulación 1, se muestra el resultado de la figura 6 en la cual se observa que el voltaje de salida se ve afectado por la configuración del circuito, debido que el diodo se en carga de dejar recortar la parte positiva del voltaje en donde sólo se puede ver los 0.7 v correspondientes al voltaje en el que el diodo permite su funcionamiento, mientras que el ciclo negativo es casi el mismo, con una variación en la inclinación de la onda al iniciar el ciclo negativo.
Gráfica 3. Configuración más compleja combinando fuentes, diodos y diodos zener.
Por último, se realiza un montaje combinando los diferentes tipos de circuitos realizados anteriormente.
Simulación 1. Vista del osciloscopio del circuito con el generador de onda cuadrada.
III. MONTAJE Materiales generales:
Protoboard Resistencias de 100Ω y 2 k Ω Un potenciómetro de 1k y 10k Diodo común D1N4002 Diodo zener 1N4744 Osciloscopio digital Generador de señales Par de sondas para osciloscopio Multímetro Fuente de DC
En este caso, funciona como un rectificador de media onda en el cual se puede apreciar que el ciclo positivo prácticamente desaparece. Si invertimos el diodo nos vamos a encontrar con que la parte que es casi anulada es la del ciclo negativo.
IV. A NÁLISIS Y DISCUSIÓN Simulación 2. Vista del osciloscopio del circuito con el generador de onda senoidal.
Inicialmente, en las gráficas 1 y 2 se evidencia que la relación entre los valores de corriente y voltaje en el diodo obedecen a una función exponencial, en la que un aumento relativamente pequeño en el voltaje desencadena un aumento bastante significativo de corriente. Ahora bien, como se puede observar en las gráficas anteriormente nombradas a voltajes bajos la corriente es prácticamente nula, por ende, se comprueba que los diodos funcionan de manera similar a un interruptor en el cual el voltaje es el que regula si hay o no paso de corriente y l cantidad de la misma. Por otro lado, al invertir el voltaje y el diodo se puede comprobar que existen valores de corriente con igual magnitud de en sentido contrario, es decir que reflejan los mismos valores, pero con signo contrario.
Simulación 3. Vista del osciloscopio del circuito con el generador de onda senoidal con el diodo invertido.
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Para las simulaciones 2 y 3 se utiliza una onda senoidal para alimentar el circuito y una configuración en serie de diodo y resistencia que permiten tener un efecto similar al del circuito anterior ya que recortan uno de los ciclos de la onda dejando un valor aproximado de 0.7 v en la salida para el ciclo que recorta. Nuevamente, este circuito funciona como un rectificador de media onda, tal y como nos muestran os resultados prácticos.
Simulación 6. Vista del osciloscopio del circuito con el generador de onda senoidal con el diodo y la resistencia en serie junto con una fuente de 5 v.
Simulación 4. Vista del osciloscopio del circuito con el generador de onda senoidal con el diodo y la resistencia en el lugar del diodo.
Simulación 7. Vista del osciloscopio del circuito con el generador de onda senoidal con el diodo y la resistencia en serie junto con una fuente de 1 v.
Simulación 5. Vista del osciloscopio del circuito con el generador de onda senoidal con el diodo invertido y la resistencia en el lugar del diodo
Para las simulaciones 6, 7, 8 y 9 en los cuales la configuración está dada por la figura 15, donde se pude observar que además de la resistencia y el diodo hay una fuente en serie que va a realizar la regulación del corte que se realizará debido al diodo es decir en las primeras dos el diodo está tal como se muestra en la configuración y la fuente desempeña a regulación del voltaje máximo es decir recorta el ciclo positivo hasta que este tome como valor superior el valor de la fuente más el 0.7 v que aporta el diodo.
En la figura 12 puede observarse la configuración del circuito correspondiente a las simulaciones 4 y 5 que nos permiten observar que al colocar el diodo antes que la resistencia, este nos permite recortar uno de los ciclos por completo y generar así un rectificador de media onda completamente limpio, en el cual uno de los ciclos es completamente anulado en la resistencia para ambas configuraciones. Simulación 8. Vista del osciloscopio del circuito con el generador de onda senoidal con el diodo y la resistencia en serie junto con una fuente de 0 v y diodo invertido.
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Simulación 9. Vista del osciloscopio del circuito con el generador de onda senoidal con el diodo y la resistencia en serie junto con una fuente de 0 v y diodo invertido.
Por otro lado, para las últimas dos simulaciones es decir al invertir el diodo se evidencia que este va a regular el valor mínimo que alcanzará la onda de voltaje, esta recortará el ciclo negativo hasta el valor que toma la fuente nuevamente con un desfase generado por el voltaje que aporta el diodo, es decir, de 0.7 v.
En primer lugar, la gráfica de corriente Vs. voltaje obedece una ecuación exponencial creciente en directa y decreciente en inversa. Las diferentes configuraciones de diodos y resistencias, dan como resultado diferentes tipos de aplicaciones como los son los limitadores y los sujetadores. Los limitadores son aquellos que se encargan de regular los máximos o los mínimos de una onda ya sea cuadrada o senoidal, aquellos que tienen regulación de dicho recorte utilizan una fuente en serie con el diodo para establecer el valor limitador. Por otro lado, los sujetadores son aquellos que mueven la onda en sentido vertical, es estos regulan los máximos y mínimos alcanzados al mismo tiempo, sin modificar la forma de la onda, pero si su posición y amplitud. Ambas aplicaciones deben realizarse teniendo en cuenta la frecuencia que se utiliza puesto que si esta es muy alta se puede superar las barreras físicas que supone un diodo ideal en su configuración debido a sus características. Ahora bien, las fuentes son indispensables para la regulación de los efectos que se quieren obtener en las diferentes configuraciones y aplicaciones con diodos. Todo lo anterior debido a que los diodos permiten circular la corriente sólo en un sentido y en el caso de los diodos zener gracias al efecto de avalancha. Dicho lo anterior, es importante tener en cuenta que los diodos utilizados en las prácticas son diodos reales, e decir existen variaciones con las aproximaciones y por ende los valores teóricos difieren de los reales. Finalmente, cada diodo cuenta con unas características especiales inherentes del material y las singularidades de cada uno, dependiendo de la polarización los diodos funcionan como fuentes, como circuitos abiertos o como interruptores. VI. R EFERENCIAS
Simulación 10. Configuración más compleja combinando fuentes, diodos y diodos zener.
Por último, el circuito que describe la configuración dada para la simulación 10, es la figura 18 en la que se evidencia una configuración un poco más compleja con elementos en serie y en paralelo. En la cual puede evidenciarse que esta es la única configuración en la que la forma de la onda de salida no se ve afectada, sin embargo, la amplitud de la onda se redujo considerablemente.
[1] W, McAllister. El diodo como un elemento de circuito. Recuperado de: HTTPS://ES.KHANACADEMY.ORG/SCIENCE/ELECTRICALENGINEERING/EE-SEMICONDUCTOR -DEVICES/EE-DIODE/A/EEDIODE-CIRCUIT-ELEMENT [2] INTEF. El diodo. Recuperado http://roble.pntic.mec.es/jlop0164/archivos/diodo.pdf
V. CONCLUSIONES
Conociendo que cuando hay una conexión de resistencia y diodo a una fuente de corriente directa la gráfica obtenida es en forma lineal comenzando en 0,7 voltios por el funcionamiento del diodo, pero al intercambiar la fuente por un generador de señales podemos observar que, si lo conectamos por dos entradas la del generador y la entrada del diodo, verificamos que si bien el diodo en una parte determinada de la función ya sea positiva o negativa sigue el mismo aproximadamente el desplazamiento al del
de:
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generador la otra parte recorta la gráfica en un determinado tiempo y con una forma curva (solo en el caso que la resistencia este primero en el circuito y después le siga el diodo), como se puede observar en el anexo 4.1, 5.1, y 6.1.. Comparando el anexo 4,1 y 6,1 verificamos que ambas se mantienen constantes en la parte positiva hasta que siguen el mismo curso de la parte negativa de la función que da el generador, pero se diferencian en el nivel de voltaje en el cual se mantienen constantes por un tiempo. Esto se debe a la fuente involucrada en el circuito del anexo 6, porque si bien el diodo empieza a funcionar a 0,7 al conectarle la fuente de DC después del diodo produce que se haga un desplazamiento mayor en su sección positiva, esto solo se lograra si en vol taje que entra al diodo es menor al que se encuentra en su salida o en este caso al de la fuente. Cuando se invierte el diodo de los circuitos del anexo 4, 5 y 6 se observa que la sección en la que se encontraban originalmente cambia a la contraria. En el caso del anexo 5.2 garantizamos que ahora él se encuentra en la dirección negativa de la gráfica, su recorte es recto en ambos sentidos a diferencia del resto pues el diodo actúa como un corto hasta que obtiene los voltios necesarios para empezar su funcionamiento. Si observamos la gráfica 3.8 hasta la 3.10 comprobamos la variación de voltaje que se le hizo a la fuente del circuito del anexo 6 en ambos sentidos, observando que entre más aumente la diferencia de potencial de la salida del diodo su recorte se hace menos acentuado. Observando el diseño del anexo 7 y comparando la gráfica 3.11 con el anexo 7.1 podemos identificar que su señal sinusoidal está dada por valores de voltaje menores y poco visibles, si pudiéramos acercar más la gráfica y separarlas nos daríamos cuenta de que los valores están entre 600 y 800 mili voltios.
