Lab-05 Diodos Especiales

E.F.P. Ing. de Sistemas Sistemas Eléctricos y Electrónicos (IS-244)

UNSCH 2008-II

Laboratorio N° 09:

“Diodos Especiales”

Alumno(a): Alumno( a): ................................................ ................................................... ... Nota: Código: ............. .................... ......... .. Martes: 7-9 am  Mièrcoles 7-9 am:  9-11am:  Semana: del 12 al 18 de Junio del 2009 Jueves: 4-6 pm  Viernes: 3-5 pm:  1. OBJETIVOS: La práctica pretende que el estudiante: Ø Conozca las pruebas de laboratorio realizadas a los diodos Zener y diodos emisores de luz (LED), para determinar sus características de funcionamiento. Ø Compruebe experimentalmente el comportamiento del diodo Zener. Ø Verificar las características del diodo Zener como regulador de voltaje. Ø Comparar los resultados prácticos, con los resultados obtenidos mediante el simulador Proteus.

2. EQUIPOS Y COMPONENTES Ë Fuente de voltaje VDC y Fuente de voltaje V AC (Transformador de salida múltiple) Ë Osciloscopio digital y multímetro digital. Ë 02 diodos Zener: de 6.2V/1W Ë 04 diodos LED de los siguientes colores: Azul, Verde, Amarillo y Rojo. Ë Capacitores electrolíticos: 100uF/25V , 2200uF/25V. Ë Resistores de carbón de 1W: 25Ω, 33Ω, 100Ω, 150Ω, 220Ω(2), 680Ω, y 1kΩ. Ë Protoboard y cables de conexión.

3. SOFTWARE REQUERIDO Ë Proteus Isis v7.2 SP6 o superior.

4. INFORMACIÓN TEÓRICA v EL DIODO ZENER: Un diodo Zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas. Llamados a veces diodos de avalancha o de ruptura, el diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura.

Símbolo:

Ing° Nicolás E. Cortez Ledesma

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http://www.unsch.edu.pe/~damf/Cortez/is244.htm


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Polarización del Diodo Zener: EL diodo Zener es un dispositivo semiconductor, que en su polarización inversa se comporta como un regulador de voltaje y tiene tres zonas de trabajo.

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•

Polarización directa: En este caso su comportamiento es similar a los diodos de unión. En la gráfica: “Vd” es su voltaje e “Id” es su intensidad de corriente, ambos en polarización directa.

•

Polarización inversa: En este caso se observa que el zener conduce una corriente inversa, la misma que aumenta rápidamente mientras que la variación del voltaje es prácticamente nula. En la gráfica: “Vz” es el voltaje Zener, “Iz” es la corriente de polarización inversa.

El Efecto Zener: El efecto zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que originan, debido a la característica constitución de los mismos, fuertes campos eléctricos que causan la rotura de los enlaces entre los átomos dejando así electrones libres capaces de establecer la conducción. Su característica es tal que una vez alcanzado el valor de su tensión inversa nominal y superando la corriente a su través un determinado valor mínimo, la tensión en los terminales del diodo se mantiene constante e independiente de la corriente que circula por él.

Ø

Características del Zener: Tres son las características que diferencian a los diversos diodos Zener entre si: a. Tensiones de polarización inversa (voltaje Zener).- Es la tensión que el Zener va a mantener constante.


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b. Corriente mínima de funcionamiento.- Si la corriente a través del Zener es menor, no hay seguridad en que el Zener mantenga constante la tensión en sus bornes. Este valor se obtiene de su hoja de datos. c. Potencia máxima de disipación.- Puesto que la tensión es constante, nos indica el máximo valor de la corriente que puede soportar el Zener. Por tanto el Zener es un diodo que al polarizarlo inversamente mantiene constante la tensión en sus terminales, a un valor llamado “voltaje Zener”, pudiendo variar la corriente que lo atraviesa entre el margen de valores comprendidos entre el valor mínimo de funcionamiento y el correspondiente a la potencia de Zener máxima que puede disipar. Si superamos el valor de esta corriente el Zener se destruye. Ø

Modelo Ideal Del Tener

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El Zener como Regulador

Modelo aproximado del Zener

Los diodos Zener mantienen la tensión entre sus terminales prácticamente constante, cuando están polarizados inversamente, en un amplio rango de intensidades y temperaturas, por ello, este tipo de diodos se emplean en circuitos estabilizadores o reguladores de la tensión tal y como el mostrado en la figura. Eligiendo la resistencia R y las características del diodo, se puede lograr que la tensión en la carga (RL) permanezca prácticamente constante dentro del rango de variación de la tensión de entrada V e. Para elegir la resistencia limitadora R adecuada, se deberá calcular primero cuál puede ser su valor máximo y mínimo, después elegiremos una resistencia R que se adecue a nuestros cálculos:

Rmín

=

Ve ( mín ) − V Z I L ( máx )

+

Rmáx

I Z ( mín )

=

Ve ( máx ) − V Z I L ( mín )

+

I Z ( máx )

Donde:


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1. 2. 3. 4. 5. 6.

Rmín es el valor mínimo de la resistencia limitadora. Rmáx es el valor máximo de la resistencia limitadora. Vs(máx) es el valor máximo de la tensión de entrada. Vs(mín) es el valor mínimo de la tensión de entrada. Vz es la tensión Zener. IL(mín) es la mínima intensidad que puede circular por la carga, en ocasiones, si la carga es desconectable, IL(mín) suele tomar el valor 0. 7. IL(máx) es la máxima intensidad que soporta la carga. 8. Iz(máx) es la máxima intensidad que soporta el diodo Zener. 9. Iz(mín) es la mínima intensidad que necesita el diodo Zener para mantenerse dentro de su zona Zener o conducción en inversa. v

DIODOS EMISORES DE LUZ: LED Un LED, siglas en inglés de Light-Emitting Diode (diodo emisor de luz) es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz policromática, es decir, con diferentes longitudes de onda, cuando se polariza en directa y es atravesado por la corriente eléctrica. El color depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo, pudiendo variar desde el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos últimos la denominación de IRED (Infra-Red Emitting Diode). El funcionamiento físico consiste en que, un electrón pasa de la banda de conducción a la de valencia, perdiendo energía. Esta energía se manifiesta en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. El dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo. Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED; el voltaje de operación va desde 1,5 hasta 2,2 voltios aproximadamente, y la gama de intensidades que debe circular por él va desde 10 hasta 20 mA en los diodos de color rojo, y de 20 a 40 mA para los otros LEDs.


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Tecnología LED En corriente contínua (DC), todos los diodos emiten una cierta cantidad de radiación cuando los pares electrón-hueco se recombinan, es decir, cuando los electrones caen desde la banda de conducción (de mayor energía) a la banda de valencia (de menor energía). Indudablemente, la frecuencia de la radiación emitida y, por ende, su color, dependerá de la altura de la banda prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia), es decir, de los materiales empleados. Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiación infrarroja muy alejada del espectro visible. Sin embargo, con materiales especiales pueden conseguirse longitudes de onda visibles. Los LED e IRED, además tienen geometrías especiales para evitar que la radiación emitida sea reabsorbida por el material circundante del propio diodo, lo que sucede en los convencionales.

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Evolución de los leds El primer led comercialmente utilizable fue desarrollado en el año 1962, combinando Galio, Arsénico y Fósforo (GaAsP) con lo cual se consiguió un led rojo con una frecuencia de emisión de unos 650 nm con una intensidad relativamente baja, aproximadamente 10mcd @20mA,(mcd = milicandela, posteriormente explicaremos las unidades fotométricas y radiométricas utilizadas para determinar la intensidad lumínica de los leds ). El siguiente desarrollo se basó en el uso del Galio en combinación con el Fósforo (GaP) con lo cual se consiguió una frecuencia de emisión del orden de los 700nm. A pesar de que se conseguía una eficiencia de conversión electrón- fotón o corriente-luz mas elevada que con el GaAsP, esta se producía a relativamente baja corrientes, un incremento en la corriente no generaba un aumento lineal en la luz emitida, sumado a esto se tenia que la frecuencia de emisión estaba muy cerca del infrarrojo una zona en la cual el ojo no es muy sensible por lo que el led parecía tener bajo brillo a pesar de su superior desempeño de conversión. Los siguientes desarrollos, ya entrada la década del 70, introdujeron nuevos colores al espectro. Distinta proporción de materiales produjo distintos colores. Así se consiguieron colores verde y rojo utilizando GaP y ámbar, naranja y rojo de 630nm (el cual es muy visible) utilizando GaAsP. También se desarrollaron leds infrarrojos, los cuales se hicieron rápidamente populares en los controles remotos de los televisores y otros artefactos del hogar. En la década del 80 un nuevo material entró en escena el GaAlAs Galio, Aluminio y Arsénico. Con la introducción de este material el mercado de los leds empezó a despegar ya que proveía una mayor performance sobre los leds desarrollados previamente. Su brillo era aproximadamente 10 veces superior y además se podía


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utilizar a elevadas corrientes lo que permitía utilizarlas en circuitos multiplexados con lo que se los podía utilizar en display y letreros de mensaje variable. Sin embargo este material se caracteriza por tener un par de limitaciones, la primera y más evidente es que se conseguían solamente frecuencias del orden de los 660nm (rojo) y segundo que se degradan mas rápidamente en el tiempo que los otros materiales, efecto que se hace más notorio ante elevadas temperaturas y humedades. Hay que hacer notar que la calidad del encapsulado es un factor fundamental en la ecuación temporal. Los primeros desarrollos de resinas epoxi para el encapsulado poseían una no muy buena impermeabilidad ante la humedad, además los primeros leds se fabricaban manualmente, el posicionamiento del sustrato y vertido de la resina era realizado por operarios y no por maquinas automáticas como hoy en día, por lo que la calidad del led era bastante variable y la vida útil mucho menor que la esperada. Hoy en día esos problemas fueron superados y cada vez son mas las fabricas que certifican la norma ISO 9000 de calidad de proceso. Además últimamente es más común que las resinas posean inhibidores de rayos UVA y UVB, especialmente en aquellos leds destinado al uso en el exterior. En los 90 se apareció en el mercado tal vez el más éxitoso material para producir leds hasta la fecha el AlInGaP Aluminio, Indio, Galio y Fósforo. Las principales virtudes de este tetar compuesto son que se puede conseguir una gama de colores desde el rojo al amarillo cambiando la proporción de los materiales que lo componen y segundo, su vida útil es sensiblemente mayor, a la de sus predecesores, mientras que los primeros leds tenia una vida promedio efectiva de 40.000 horas los leds de AlInGaP podían mas de 100.000 horas aun en ambientes de elevada temperatura y humedad. Es de notar que muy difícilmente un led se queme, si puede ocurrir que se ponga en cortocircuito o que se abra como un fusible e incluso que explote si se le hace circular una elevada corriente, pero en condiciones normales de uso un led se degrada o sea que pierde luminosidad a una taza del 5 % anual. Cuando el led ha perdido el 50% de su brillo inicial, se dice que ha llegado al fin de su vida útil y eso es lo que queremos decir cuando hablamos de vida de un led. Un rápido calculo nos da que en una año hay 8760 horas por lo que podemos considerar que un LED de AlInGaP tiene una vida útil de mas de 10 años. Como dijimos uno de factores fundamentales que atentan contra este numero es la temperatura, tanto la temperatura ambiente como la interna generada en el chip, por lo tanto luego nos referiremos a técnicas de diseño de circuito impreso para bajar la temperatura. Explicaremos un detalle de mucha importancia respecto a los leds y su construcción. Cuando se fabrica el led, se lo hace depositando por capas a modo de vapores, los distintos materiales que componen el led, estos materiales se


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depositan sobre una base o sustrato que influye en la dispersión de la luz. Los primeros leds de AlInGaP se depositaban sobre sustratos de GaAs el cual absorbe la luz innecesariamente. Un adelanto en este campo fue reemplazar en un segundo paso el sustrato de GaAs por uno de GaP el cual es transparente, ayudando de esta forma a que mas luz sea emitida fuera del encapsulado. Por lo tanto este nuevo proceso dio origen al TS AlInGaP (Tranparent Substrate ) y los AlInGaP originales pasaron a denominarse AS AlInGaP (Absorbent Susbtrate). Luego este mismo proceso se utilizo para los led de GaAlAs dando origen al TS GaAlAs y al As GaAlAs. En ambos casos la Eficiencia luminosa se incrementaba típicamente en un factor de 2 pudiendo llegar en algunos casos a incrementarse en un factor de 10. Como efecto secundario de reemplazar el As por el TS se nota un pequeño viro al rojo en la frecuencia de emisión, generalmente menor a los 10nm. A final de los 90 se cerro el circulo sobre los colores del arco iris, cuando gracias a las tareas de investigación del Shuji Nakamura, investigador de Nichia, una pequeña empresa fabricante de leds de origen japonés, se llego al desarrollo del led azul, este led siempre había sido difícil de conseguir debido a su elevada energía de funcionamiento y relativamente baja sensibilidad del ojo a esa frecuencia (del orden de los 460 nm) Hoy en día coexisten varias técnicas diferentes para producir luz azul, una basada en el SiC Silicio – Carbono otra basada en el GaN Galio – Nitrógeno, otra basada en InGaN Indio-Galio-Nitrógeno sobre substrato de Zafiro y otra GaN sobre sustrato SiC. El compuesto GaN, inventado por Nakamura, es actualmente el mas utilizado. Otras técnicas como la de ZnSe Zinc – Selenio ha sido dejadas de lado y al parecer el SiC seguirá el mismo camino debido a su bajo rendimiento de conversión y elevada degradación con la temperatura. Dado que el azul es un color primario, junto con el verde y el rojo, tenemos hoy en día la posibilidad de formar el blanco con la combinación de los tres y toda la gama de colores del espectro, esto permite que los display gigantes y carteles de mensajes variables full color se hagan cada día más habituales en nuestra vida cotidiana. Es también posibles lograr otros colores con el mismo material GaN, como por ejemplo el verde azulado o turquesa, de una frecuencia del orden de los 505 nm. Este color es importante ya que es el utilizado para los semáforos y entra dentro de la norma IRAM 2442 Argentina y VTCSH parte 2 americana y otras. Su tono azulado lo hace visible para las personas daltónicas. El daltonismo es una enfermedad congénita que hace a quien lo padece ser parcialmente ciego a determinadas frecuencias de color, generalmente dentro de ellas esta la correspondiente al verde puro que tiene una frecuencia del orden de los 525 nm. Otros colores también son posibles de conseguir como por ejemplo el púrpura, violeta o ultravioleta. Este ultimo es muy importante para la creación de una


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forma más eficiente de producir luz blanca que la mera combinación de los colores primarios, ya que añadiendo fósforo blanco dentro del encapsulado, este absorbe la radiación ultravioleta y emite frecuencia dentro de todo el espectro visible, logrando luz blanca en un proceso similar al que se produce en el interior de los tubos fluorescentes. A veces el fósforo posee una leve tonalidad amarillenta para contrarrestar el tono azulado de la luz del semiconductor. Luego de tantos materiales y frecuencias de ondas seria bueno resumir todo esto en una forma mas clara, es por ello en la tabla siguiente se detallan los distintos frecuencias de emisión típica de los led’s comercialmente disponibles y sus materiales correspondientes. Los datos técnicos fueron obtenidos de distintos fabricantes. Es de notar que la resolución del ojo es del orden de los 3 a 5 nm según el color de que se trate.

Longitud de onda 940 nm 890 nm 700 nm 660 nm 640 nm 630 nm 626 nm 615 nm 610 nm 590 nm 590 nm 565 nm 555 nm 525 nm 525 nm 505 nm 498 nm 480 nm 450 nm 430 nm 425 nm 370 nm

Color

Material

Infrarrojo Infrarrojo Rojo profundo Rojo profundo Rojo Rojo Rojo Rojo – Naranja Naranja Amarillo Amarillo Verde Verde Verde Verde Verde turquesa Verde turquesa Azul Azul Azul Azul Ultravioleta

GaAs GaAlAs GaP GaAlAs AlInGaP GaAsP/GaP AlInGaP AlInGaP GaAsP/GaP GaAsP/GaP AlInGaP GaP GaP InGaN GaN InGaN/Zafiro InGaN/Zafiro SiC InGaN/Zafiro GaN InGaN/Zafiro GaN

Tabla: Materiales y frecuencias de emisión típicas de un LED


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Voltaje de polarización de los leds La diferencia de potencial varía de acuerdo a las especificaciones relacionadas con el color y la potencia soportada. En términos generales puede considerarse: Rojo = 1,6V • • Rojo alta luminosidad = 1,9V • Amarillo = 1,7V a 2V • Verde = 2,4V • Naranja = 2,4V • Blanco brillante = 3,4V • Azul = 3,4V • Azul 430nm = 4,6V Blanco = 3,7V • Luego mediante la ley de Ohm, puede calcularse la V fuente − V d resistencia adecuada para la tensión de la fuente que R = I utilicemos. El término I, en la fórmula, se refiere al valor de corriente para la intensidad de luminosa que necesitamos. Lo común es de 10 a 20mA. un valor superior puede quemar e inhabilitar el LED. Cabe recordar que también pueden conectarse varios en serie, sumándose las diferencias de potencial en cada uno.

5. INFORME PREVIO Para el día de la práctica de laboratorio, los estudiantes deberán:

5.1. Leer detenidamente el contenido de esta guía. 5.2. Investigue y resuma las características de un display de 7 segmentos “ánodo común” y un display de segmentos “cátodo común”


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6. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA 6.1. Curva característica del diodo Zener: @ Implemente el circuito de la Figura:

Ve = 9V(Senwt), R = 680Ω @ Establezca en el Osciloscopio el modo de visualización. X-Y @ Observe en el Osciloscopio la curva característica: ID (vs) VD.

@ En el recuadro siguiente, dibuje la curva característica: I (vs) V.

identifique, registre datos relevantes y anote sus observaciones.

_______________________________________________________ _______________________________________________________


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_______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

6.2. Zener como protector de sobrecarga: @ Implemente el circuito tal como se

muestra en la figura. @ Observe en el osciloscopio la señal de salida Vs comparando con la señal de entrada Ve.

@ En el recuadro siguiente, dibuje la curva característica: I (vs) V.

identifique, registre datos relevantes y anote sus observaciones.


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_______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ @ ¿Qué pasa con “Vs” si se modifica la amplitud de “Ve” a 12V?

_______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

6.3. Zener como regulador de voltaje: @ Implementar el circuito tal como se muestra en la figura.

@ Calcule el valor de RL de modo que por el circule una corriente máxima de

200mA. (Se revisará como previo a la práctica ). _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________


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@ Calcular el valor de R de modo que el diodo Zener de 6.2V-1/4W trabaje

como regulador de tensión. ( Se revisará como previo a la práctica ). _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ @ Agregue una ventana de análisis gráfico (tipo analógico). @ Simule y anote la gráfica resultante, precisando los niveles de voltaje.

_________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________


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@ Anote sus conclusiones:

_______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

6.4. Polarización de los diodos emisores de luz: LED’s @ Para el circuito mostrado en la figura.

@

Como informe previo, calcule los valores de las resistencias, para polarizar adecuadamente los diodos de diferentes colores. Anote la información requerida y los valores hallados en la siguiente tabla: LED de color

VLED

ILED

Resistencia

Azul

R1 =

Verde

R2 =

Amarillo

R3 =

Rojo

R4 =

@ Implemente el circuito en protoboard utilizando resistencias cuyos valores

comerciales sean próximos a los valores hallados. @ Anote sus observaciones:

_______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ Ing° Nicolás E. Cortez Ledesma

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_______________________________________________________ _______________________________________________________ @ Anote sus conclusiones:

_______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________

7. BIBLIOGRAFÍA __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________

8. ANEXO: USO DE COMPONENTES EN EL SIMULADOR PROTEUS Ø Ubicación de los generadores de señales en la ventana “Pick Devices”

Dispositivo

Librería

Sub-categoría

Categoría

ALTERNATOR

ACTIVE

Sources

Simulator Primitives

Ø Componentes Diodos y Resistores:

Dispositivo Librería Sub-categoría Categoría RES DEVICE Generic Resistors BZV85C6V2 ZENERP Zener Diodes LED-BLUE ACTIVE LEDs Optoelectronics LED-GREEN ACTIVE LEDs Simulator Primitives Ø Instrumentos virtuales: Nombre: Ubicación: Oscilloscope barra de herramientas à “Virtual Instruments Mode”


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