Laboratorio 2: Diodos y aplicaciones Forero Mulett, Wilson Andrés y Soto Morales, Jorge Enrique {wa.forero10, je.soto2390}@uniandes.edu.co Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Universidad de los Andes
Resumen – E E n esta esta pr áctica se busca busca f amil iar izar al estudiante con el comportamiento de los diodos y las aplicaciones que tiene comúnmente. Para lograr esto se di señ señ ar on ci r cui tos básicos con el f i n de obser obser var el comportami ento de dich dich o elemento elemento en dif er entes entes entor entor nos, como por ejemplo su respuesta a AC y DC, o el comportamiento del flujo de la corriente en diferentes polar izaciones. izaciones. Con esto esto hecho, se prosigui ó a realizar u n pr oyecto en en don de se se apli can l as propi edades edades vistas en el el diodo. Di cho proyecto es es una f uente de voltaj e constante constante fi ja a 9V con un respaldo respaldo por por si ocurr en f allas en en l a fu ente pri ncipal. E l des desarr ollo de dicha dicha f uente fue exit exit oso, oso, logrando l a consecuci consecuci ón de los objeti vos plan teados. teados.
Los equipos usados en la práctica son: Computador con conexión a Internet. Multímetro Osciloscopio Generador de Señal Fuente DC.
IV.
Palabr as clave – D iodo, regulador regulador de voltaje, rectif rectif icador de vol taj e, clí cl íper.
INTRODUCCIÓN
II. OBJETIVOS Reconocer información y/o parámetros que aparecen en las hojas de especificaciones de dispositivos. Identificar entradas y salidas del dispositivo. Determinar la curva característica del diodo. Analizar los modos de funcionamiento y configuración del dispositivo. III.
MATERIALES Y EQUIPOS
Los materiales de trabajo son: Diodo 1N4004 (mínimo 5 por grupo). Diodo 1N4148 (mínimo 3 por grupo). Diodo zener 2,7v o 3v, ½ w (mínimo 2 por grupo). Diodos led. Bombillo de 12v dc (Usados en linternas). Resistencias valores varios (según circuitos). Trimmer (potenciómetro (potenciómetro de precisión) 5k, 10k. Conectores, Caimanes para conexiones.
PROCEDIMIENTO
A. Desarrollo cuestionario conceptual 1
I.
Protoboard.
De la hoja de datos del dispositivo (datasheet), ¿Qué información considera es importante conocer antes de utilizar el dispositivo en alguna aplicación?
Se analizan las limitaciones máximas que son tensión inversa repetitiva de pico, tensión inversa de pico de funcionamiento, tensión de bloqueo en cc, también la corriente máxima con polarización directa, caída caída de tensión con polarización polarización directa, corriente inversa máxima. 2. ¿Qué implicación tiene el conectar diodos en serie para los circuitos de la figura 1? Esto depende de la forma en la que se conecten los diodos es decir si los diodos todos están conectados en directa lo que sucede es un cambio de voltaje por la disipación que sucede en los diodos, pero si se conectan en inversa la corriente no fluirá, además si un diodo se conecta en inversa y los demás en directa la corriente tampoco fluirá.
3. Diferencias y similitudes entre rectificación de media onda y de onda completa. La corriente eléctrica de forma senoidal se puede rectificar con diodos y rectificar media onda u onda completa, cuando rectificamos media onda quitamos el ciclo negativo o el positivo de acuerdo a como pongamos el diodo o diodos, y dejamos pasar solo media onda ya sea su ciclo positivo o
negativo entonces el voltaje ira de cero a su valor pico reducido por el voltaje disipado en los diodos, en el de onda completa en el que se trata de quitar también el ciclo contrario la parte negativa y la parte positiva toman cada una por un ramal y se polariza la salida dando como resultado un rizado que se buscara luego filtrar para pasar de AC a DC, en cambio en la de media onda solo se obtiene un polo porque solo pasa un tipo de carga y las cargas contrarias se devuelven a la fuente AC. 4. Explique que es la Eficiencia en las fuentes de poder. Qué tipo de fuentes de voltaje existen, organícelas de mayor a menor eficiencia.
En electrónica, una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte las tensiones alternas de la red de suministro, en una o varias tensiones, prácticamente continuas, que alimentan o suministran energía a su salida. Cabe mencionar que esta por si sola es la definición de una fuente de alimentación, pero también describe lo que es específicamente una fuente de alimentación fija, ya que solo da un voltaje periódicamente igual. Para regular específicamente las fuentes de alimentación aquí hay una relación de los reguladores usados para cada circuito. Fuente simétrica
La eficiencia hace mención a la cantidad de potencia entregada por la fuente para alimentar nuestros equipos, entre mayor eficiencia tenga una fuente quiere decir que menores son las pérdidas de potencia, esto incide en un mayor aprovechamiento de la energía. Fuentes Conmutadas Las fuentes conmutadas tienen las siguientes ventajas: La eficiencia de las fuentes conmutadas está comprendida entre el 68 y el 90%. Esto hace reducir el costo de los dispositivos de potencia. Además, los dispositivos de potencia funcionan en el régimen de corte y saturación, haciendo el uso más eficiente de un dispositivo de potencia. Debido a que la tensión de entrada es conmutada en forma de alterna y ubicada en un elemento magnético, se puede variar la relación de transformación pudiendo funcionar como reductor, elevador, o inversor de tensión con múltiples salidas. FUENTE DE ALIMENTACION FIJA En electrónica, una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte las tensiones alternas de la red de suministro, en una o varias tensiones, prácticamente continuas, que alimentan o suministran energía a su salida. Cabe mencionar que esta por si sola es la definición de una fuente de alimentación, pero también describe lo que es específicamente una fuente de alimentación fija, ya que solo da un voltaje periódicamente igual. Para regular específicamente las fuentes de alimentación aquí hay una relación de los reguladores usados para cada circuito.
Es una fuente capaz de suministrar diversas tensiones dentro de un amplio margen de valores. Del mismo modo y por causa de los distintos márgenes de consumo, habría sido útil que dicha fuente incorporara un limitador de corriente ajustable, por ejemplo; para cargar baterías Ni/Cd, en cuya carga como es sabido, necesita mantener constante la corriente de carga y que fuera corto circuitable para usarla en circuitos cuyo consumo desconocemos. 5. Investigar definiciones a. Corriente inversa de saturación la corriente inversa de saturación (Is), es una pequeña corriente que se produce al polarizar de forma inversa el diodo por la formación de pares hueco-electrón debido a la temperatura y que se duplica por cada incremento de 10 grados de temperatura. b. Corriente superficial de fugas. La corriente superficial de fugas es una pequeña corriente que circula por la superficie del diodo, esta corriente se produce por la tensión aplicada el diodo y al aumentar la tensión aplicada, también aumenta la corriente superficial de fugas. c. Tensión de ruptura Cuando se conecta o se polariza un diodo en inversa y se aplica un voltaje inverso alto el diodo se rompe y se reduce el efecto avalancha y deja de servir, la tensión de ruptura es la tensión máxima que soporta el diodo en inversa antes de avalancha. 6. Breve descripción Radio Galena.
No es necesario el uso del transformador de línea, ya que el elemento magnético de transferencia de energía lo puede reemplazar, funcionando no en 50/60 Hz, sino en alta frecuencia de conmutación, reduciendo el tamaño del transformador y en consecuencia, de la fuente; reduciendo el peso, y el coste. FUENTE DE ALIMENTACION FIJA
Un radio galena es un receptor de AM que cuenta con un tipo de cristal semiconductor de sulfuro de plomo. Es el antecesor de los diodos de germanio y silicio y se constituía por una pequeña piedra de galena y un fino hilo metálico como una aguja, la radio galena recibe toda la energía necesaria para la demodulación de las propias ondas de radio, por lo cual no requiere una fuente adicional de energía para alimentarlo y por ende su señal auditiva es baja por no poseer amplificación.
7. Por qué se coloca un diodo en paralelo a la bobina de un relay. Cuál es la función. Esto se hace porque cuando se energiza la bobina del Relay esta produce un campo electromagnético el cual tiene una corriente que puede provocar daños a los circuitos digitales, porque al energizar y des energizar la bobina las corrientes cambian y producen picos de voltaje altos afectando los dispositivos, entonces se ubica un diodo en paralelo al relay para hacer que dicha corriente circule en un solo sentido y así proteger los circuitos.
B. Desarrollo cuestionario práctico 1. Investigue distintas maneras de identificar los pines del dispositivo. Para identificar el diodo en el caso de su polaridad, en primer lugar los diodos poseen una franja que indica el cátodo o negativo, el otro extremo es el ánodo o parte positiva, también podemos identificar los pines del dispositivo utilizando un ohmímetro y conectando las puntas a los pines del diodo y verificando en la medición el paso y el sentido en el que circula la corriente. 2. Cuál es el funcionamiento de un fotodiodo, opto acoplador y varicap. El foto diodo es un dispositivo semiconductor sensible a la incidencia de la luz pero es eléctricamente similar a un diodo convencional cuando no está sometido a la luz. Su polarización de trabajo es la inversa debido a que cuando son sometidos a la luz la resistencia de inversa aumenta proporcionalmente con la intensidad de la iluminación, lo que quiere decir que la circulación de corriente depende directamente de la cantidad de fotones que incidan sobre el dispositivo. Los varicap son fabricados de manera que el ancho de la barrera de potencial de la unión PN sea variable de acuerdo al voltaje inverso que se aplica en sus bornes externos, si aumenta este voltaje aumenta la barrera y por consiguiente disminuye la capacitancia del diodo. Se puede decir o considerar como un condensador variable que depende de la tensión aplicada. Loa valores capacitivos que se pueden obtener en un diodo varicap oscilan entre 1 a 500 pF. El voltaje inverso debe ser como mínimo 1 voltio. Entonces podemos afirmar que este tipo de diodo trabaja en polarización inversa. Un opto acoplador es un componente electrónico que se utiliza como transmisor y receptor óptico (de luz), es decir pueden transmitir de un punto a otro una señal eléctrica sin necesidad de conexión física ni cables (por el aire), mediante una señal luminosa. Por eso también se llaman Opto Interruptor.
Activamos una luz y esta luz llega a un detector que genera una tensión de salida, interruptor cerrado. Si no se activa la luz o no le llega la luz al detector, este no genera ninguna tensión de salida, es decir interruptor abierto. 3. Al diseñar una fuente de voltaje, ¿cuándo se utiliza un transformador con Tap Central? La función de una fuente de poder es convertir la corriente alterna en corriente directa. La fuente de poder toma la corriente de un transformador que se encarga de convertir el voltaje de la red pública, en el voltaje requerido por el circuito o sistema que vallamos a alimentar. La corriente ingresa al puente de diodos, que puede ser hecho con 4 diodos. La fuente simétrica se caracteriza por tener tres pines de entrada y tres de salida. Esto se debe a que el transformador tiene un TAP central y al ser rectificado, la fuente entrega voltaje positivo, voltaje negativo y tierra o punto centro. 4. En los circuitos de la figura 4, a y b. ¿Cuál es la función de colocar un capacitor en paralelo a la carga (RL o R1, según el cto)?. En el circuito a) o rectificador de media onda el capacitor tendría la función de filtrar la media onda y cortaría la onda antes del valor pico siendo esta plana en su parte superior, en el circuito b) el capacitor filtraría la onda completa pasándola a una señal totalmente dc y corrigiendo el rizo que deja la rectificación de onda completa en los diodos. C. Metodología 1- Curva del diodo: Para esta parte del laboratorio se montó el siguiente circuito:
Figura 1. Circuito para la obtención de la curva de diodo. La resistencia R es de 1 Ω. El diodo era un 1N4004.
Para el circuito mostrado en la figura 1, se varió el voltaje de entrada E desde -5V hasta 5V, con el objetivo de tomar medidas de voltaje en el diodo y de corriente en el circuito, para así construir la gráfica característica de este elemento. Los resultados se muestran en la siguiente sección. 2- Análisis en DC: Para esta parte del laboratorio se implementó el siguiente circuito:
4.1) Fuente de voltaje constante: En esta parte de la práctica se tenía como objetivo diseñar y montar una fuente de voltaje constante de 9V, la cual, en caso de un daño, contara con una fuente de respaldo con el fin de no dejar la carga alimentada sin energía. El diseño y montaje de la fuente se desarrolló en los siguientes pasos:
Figura 2. Circuito para el análisis en DC. Se usó u n bombillo de 6W para el análisis. El diodo era un 1N4004.
En el circuito mostrado en la figura 2 se quería analizar el comportamiento de un circuito cuando el diodo es polarizado en directa o en inversa. Los resultados se muestran en la siguiente sección.
3- Análisis en AC: En esta parte de la práctica se montaron los siguientes circuitos:
Figura 3. Circuito rectificador de media onda. El diodo usado fue un 1N4004. El voltaje usado fue de 12Vrms.
Figura 4. Circuito rectificador de onda completa. Los diodos usados fueron 1N4004.
Usando los rectificadores de media onda (figura 3) y de onda completa (figura 4), se hizo un barrido de frecuencias para visualizar el efecto de las frecuencias sobre los circuitos. Además, se quería ver el efecto de estos circuitos sobre la señal de entrada. Los resultados se muestran en la siguiente sección. 4- Proyecto:
Primero se debe crear un sistema para poder usar las tomas de corriente comunes (120V, 60 Hz) como fuente de energía para la fuente de corriente DC. Para esto se hizo uso de un transformador reductor de 120V a 24V con TAPS central (es decir, 12V – 0V – 12V). Dado que aunque se había logrado disminuir el voltaje, todavía se encontraba en AC, por lo que era necesario implementar un sistema capaz de convertir dicho voltaje en DC. Para esto se implementó un circuito rectificador de onda completa con un capacitor acoplado a él. El capacitor, debido a su lenta descarga, es capaz de mantener el voltaje pico dado por la señal rectificada, generando así una salida DC. Debido a que no se va a obtener el mismo voltaje en todas las tomas de todos los lugares, es necesario hacer uso de un regulador de voltaje, el cual mantendrá el voltaje independientemente de la entrada. Para este caso se hizo uso de un LM8710, el cual va a mantener el voltaje a 10V constantes. En este punto ya la fuente estaba acabada, ahora era momento de crear el respaldo de la fuente. Para esto se hizo uso de una batería de 9V y un par de diodos y resistencias como se muestra en la figura 5.
Figura 5. Circuito de respaldo para la fuente DC. En donde se encuentra la fuente de 18.5V va la fuente montada.
El circuito final obtenido se muestra en la figura 6. En este no se muestran el transformador y el regulador por cuestiones de simulación (los modelos no son compatibles con PSpice). La carga en este caso (la simulación) es la resistencia R6 de 1 Ω. En la práctica, para la carga se hizo uso de un LED en serie con una resistencia.
Vin vs Vout (V) 1 0 -6
-4
-2
) V ( t u o V
-1
0
2
4
6
-2 -3 -4 -5
Figura 6. Circuito de la fuente de 9V con respaldo.
-6
Vin (V)
Todo lo anteriormente descrito fue simulado con anterioridad y aplicado para la obtención del producto final. Las simulaciones y los resultados obtenidos se muestran en la siguiente sección.
Gráfica 1. Vin vs. Vout en el diodo.
Vin (V) vs Coriente (mA) 5
4.2) Fuente Zener: Para esta parte se diseñó el siguiente circuito:
4
) A m ( e t n e i r r o C
-6
3 2 1 0 -4
-2
-1
0
2
4
6
Vin (V)
Gráfica 2. Curva característica del diodo (Vin vs. Corriente).
Figura 7. Circuito de la fuente de 9V con respaldo.
Se quería hacer un regulador de voltaje a partir de un diodo Zener, con el cual se mantuviera una corriente de 100 mA y una caída de voltaje de 3V. V.
RESULTADOS
1- Curva del diodo: Los resultados obtenidos para un diodo 1N4004 se muestran en las gráficas 1 y 2.
En la gráfica 1 se puede ver el comportamiento del voltaje en el diodo. Se puede observar que hay un codo en la gráfica, exactamente en el punto en el que se llega al voltaje de conducción del diodo, el cual es aproximadamente 0,6V. De aquí en adelante, el voltaje se queda estancado ya que el diodo estará polarizado en directa, y se comportará como un corto circuito. Este mismo codo se puede ver en la gráfica 2, en donde se puede ver que no hay conducción de corriente hasta que el diodo este polarizado con el debido voltaje de conducción. A partir de dicho voltaje, empieza a fluir corriente sobre el circuito. 2- Análisis en DC: Cuando los pines del diodo en el circuito de la figura 2 se encontraban en la posición en la que se muestra en la imagen, el bombillo se encendía. Esto sucede porque el diodo se encuentra polarizado en directa y permite el flujo de la corriente. En cambio, cuando los pines del diodo se encontraban en la posición invertida, el bombillo permanecía apagado. Esto se debe a que el diodo en este caso se encontraba en polarización inversa, por lo cual este actúa como un circuito abierto y no permite el paso de corriente por el circuito. 3- Análisis en AC:
Los resultados de la simulación de los circuitos mostrados en las figuras 3 y 4 son los siguientes:
Gráfica 3. Voltaje de salida de los circuitos rectificadores de media onda y onda completa.
En la gráfica 3 se muestran los resultados. En verde se muestra el voltaje de entrada, en rojo la salida del rectificador de onda completa y en azul la salida del rectificador de media onda. Se puede observar que en la rectificación de onda completa, los picos negativos de la señal de entrada son reflejados en el eje X para formar una sucesión seguida de picos en la parte positiva. En cambio, en la rectificación de media onda simplemente corta los picos negativos y deja los positivos (dada la polarización del diodo en el circuito). Esto sucede ya que el diodo solo deja conducir en polarización directa, entonces cuando la onda es negativa, el voltaje cae sobre la resistencia, mientras que cuando es negativa, el voltaje cae sobre el diodo. En la rectificación de onda completa si hay paso de corriente en los dos casos, sin embargo, cuando el voltaje es negativo, la corriente sigue pasando de positivo a negativo sobre la carga, por lo que el voltaje es reflejado. Los resultados experimentales se muestran en la figura 7.
Gráfica 5. Simulación de la fuente sin uso del respaldo.
En la gráfica 5 se muestran los resultados de la simulación cuando la fuente no hace uso del respaldo. La curva verde es la salida del transformador (modelada con una fuente de voltaje AC), la curva roja es la salida de la etapa de rectificación (puente de diodos y condensador) y finalmente loa curva amarilla es el voltaje sobre la carga.
Gráfica 6. Simulación de la fuente usando el respaldo.
En la gráfica 6 se muestran los resultados de la simulación cuando la fuente hace uso del respaldo. La curva verde es la salida del transformador (modelada con una fuente de voltaje AC), la curva roja es la salida de la etapa de rectificación (puente de diodos y condensador) y finalmente loa curva amarilla es el voltaje sobre la carga. El circuito montado se puede observar en la figura 8.
Gráfica 4. Rectificación de media onda.
4- Proyecto: 4.1) Fuente de voltaje: Se realizaron algunas simulaciones para verificar el comportamiento de la fuente. Los resultados en cada etapa son los siguientes: Figura 8. Circuito de la fuente con respaldo en físico. El transformador se encuentra fuera de la imagen.
Ya habiendo montado el circuito en físico los resultados en cada etapa son los siguientes:
Salida del transformador.
5.3 = 2.5 + (26.9Ω) = 104
El voltaje en el diodo Zener es:
= 2,8
La corriente en el diodo es: = 13
Esta corriente cumple con los límites establecidos en la hoja de datos del diodo. Gráfica 7. Voltaje de salida del transformador. Cada cuadro equivale a 5V.
Los resultados de la simulación del circuito de la figura 7 fueron los siguientes:
Salida después de la rectificación (puente de diodos).
Gráfica 10. Voltaje en la carga del circuito con diodo Zener.
4.3) Receptor de radio AM galeno: Gráfica 8. Voltaje de salida del transformador. Cada cuadro equivale a 5V.
El circuito simulado fue el siguiente:
Voltaje de salida después del condensador.
Gráfica 9. Voltaje de salida del transformador. Cada cuadro equivale a 2V.
Se puede ver que se logró el objetivo impuesto, ya que la fuente trabaja a un poco más de 9V cuando el respaldo no está en uso, y de la misma manera la fuente funciona con un poco menos de 9V cuando esta funciona con el respaldo. Esto se puede verificar a través de las gráficas 7, 8 y 9.
Figura 9. Circuito de recepción de radio AM galeno.
Los resultados son los siguientes:
4.2) Fuente Zener: Para el diseño de la fuente Zener se realizaron los siguientes cálculos: =
5,3 − 3 19,5
= 117
Gráfica 11. Señal recibida por la antena.
Esta es la señal recibida por la antena.
Gráfica 12. Señal generada por el circuito receptor.
Esta es la señal de salida del circuito. 4.4) Diseño del Clipper: El circuito diseñado fue el siguiente:
Se pudo verificar experimentalmente los rectificadores de media y onda completa en el que en cada etapa se fue viendo el paso de una señal AC hasta una DC, se filtraron las señales que nos permitieron corroborar la teoría del efecto sobre las corrientes que produce el diodo. En el proceso pudimos verificar y comparar los datos teóricos con los experimentales y ver en el osciloscopio como se bajaba el voltaje pico de la señal senoidal en el paso por el diodo. Pudimos calcular las resistencias para regular un voltaje dado en DC usando un diodo zener para lograr este tipo de estabilidad de voltaje entregado a la carga conectada a la salida de la fuente. En el osciloscopio observamos después de filtrar una onda completa el rizo de la onda y comprobamos que podíamos corregir ese efecto de la señal con un capacitor en paralelo a la salida del puente de diodos. Conocimos teóricamente varios tipos de fuentes de voltaje y la importancia de la eficiencia de este tipo de equipo. Aprendimos como con un transformador reductor y un puente de diodos un filtro y un circuito de regulación que podemos transformar el tipo de corriente que llega a nuestras casas y sacar una señal DC para alimentar nuestros circuitos que requieren de ese tipo se señal. VII.
REFERENCIAS
[1] Neamen, D. Microelectronics. Circuit Analysis and Design. Cuarta edición. Editorial McGraw Hill. [2] Sedra, A. Smith, K. Circuitos microelectrónicos. Cuarta edición. Editorial Oxford University Press. Los resultados obtenidos en la simulación de dicho circuito fueron los siguientes:
En la gráfica se puede ver como la señal de entrada queda sin pico en la salida. Esto se debe a que cuando se supera el voltaje de la fuente más la caída de voltaje en el diodo, el diodo deja de retener voltaje y es por esto que se ve el pico recortado. Esto sucede para cada diodo debido a la polarización. VI.
CONCLUSIONES
[3] Avila, A. Oliva, H. Laboratorio 2: Diodos y aplicaciones. Encontrada en: https://sicuaplus.uniandes.edu.co/bbcswebdav/pid-1088398dt-content-rid11741678_1/courses/201510_IELE2206L_03/Lab%202.%20 Diodos_practico-conceptual_fase2_v2%281%29.pdf [En línea].
