UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE D E PANAMÁ PANAMÁ CENTRO REGIONAL DE AZUERO FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA LICENCIATURA EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES TELECOMUNICACIONES CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
LABORATORIO PRÁCTICO # 1
DIODOS FACILITADOR: ING. FRANCISCO CANTO
GRUPO: A (7IT131)
Realizado el 26 de marzo de 2012 Entregado el 23 de abril de 2012
PRIMER SEMESTRE
INTRODUCCIÓN Un diodo es un elemento electrónico que tiene un cierto comportamiento cuando se le induce una corriente eléctrica a través de él, pero depende de las características de esta corriente para que el dispositivo tenga un comportamiento que nos sea útil. El diodo tiene un papel muy importante en la tecnología moderna. Prácticamente cada sistema electrónico, desde el equipo de audio hasta el computador usa diodos de una u otra forma. El primer diodo de vacío, basado en el fenómeno de emisión termo-iónica (emisión de electrones de un alambre metálico calentado), data de comienzos de 1900. Alrededor de 30 años después, el diodo semiconductor fue introducido comercialmente. El primer diodo fue probado en1905. La tecnología de semiconductores de germanio y silicio se introdujo en los años 30. En este informe se pretende realizar un resumen acerca algunos de los tipos de diodos existentes. En cuanto a sus características, su principio de funcionamiento, funcionamiento, sus modos modos de conexión más comunes y las aplicaciones de los diodos más usados en electrónica.
MARCO TEORICO Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo.
De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest.
Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, también llamados válvulas termoiónicas constituidas por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes. El invento fue desarrollado en 1904 por John Ambrose Fleming, empleado de la empresa Marconi, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison. Un diodo semiconductor moderno está hecho de cristal semiconductor como el silicio con impurezas en él para crear una región que contiene portadores de carga negativos (electrones), llamado semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contiene portadores de carga positiva (huecos), llamado semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de los electrones). Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.
Polarización directa de un diodo
En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad. Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:
El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.
El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n. Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n. Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.
De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.
Polarización inversa de un diodo
En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:
El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver
semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.
El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos. Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.
En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μ A) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable. Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede deberse a dos efectos:
Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares
electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.
Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la
anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·10 5 V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.
OBJETIVOS
Comprobar el funcionamiento del diodo en polaridad directa e inversa.
Graficar la curva característica de los diodos.
Demostrar algunas aplicaciones de los diodos en voltaje continuo.
Determinar el comportamiento de los diodos LED.
MATERIALES
Multímetro Digital
Protoboard
Resistencias 330 Ω ½ W, 1k Ω, 10k Ω, 4k Ω, 5k Ω, 6k Ω
Diodos tipo LED
Diodos 1N4007
Fuentes de alimentación
Pinzas de corte y de punta
Cables
MÉTODO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS I. PARTE: 1. Verificamos el funcionamiento de cada diodo utilizado. 2. Armamos el circuito en el protoboard.
Figura #1: Polarización del Diodo 3. Con el multímetro medimos y calculamos los valores de voltaje continuo en el diodo (VD), el voltaje en la resistencia (VR) y la corriente en el diodo.
XMM1
D1
XMM5
XMM2
D1
1N4007 1N4007
V1 10 V
R1 330Ω
V1 10 V
R1 330Ω
V1 [Volt]
VD [Volt]
VR [Volt]
ID= VR/R [Amper]
0.000
0.000
0.000
0.000E+00
0.500
0.454
0.028
8.485E-05
0.700
0.527
0.145
4.394E-04
1.000
0.572
0.364
1.103E-03
1.500
0.617
0.947
2.870E-03
2.000
0.630
1.460
4.424E-03
5.000
0.680
4.290
1.300E-02
10.000
0.720
9.260
2.806E-02
4. Invertimos la polaridad de V1 y obtenga los valores del diodo en polarización inversa.
XMM3
XMM6
D2
1N4007
D2
XMM4
1N4007
V2 -10 V
R2 330Ω V4 -10 V
R3 330Ω
V1 [Volt]
VD [Volt]
VR [Volt]
ID= VR/R [Amper]
0.000
0.000
0.000
0.000E+00
-1.000
-1.000
0.000
0.000E+00
-2.000
-2.000
0.000
0.000E+00
-3.000
-3.000
0.000
0.000E+00
-4.000
-4.000
0.000
0.000E+00
-5.000
-5.000
0.000
0.000E+00
-10.000
-10.000
0.000
0.000E+00
-12.000
-12.000
0.000
0.000E+00
5. Mediante papel milimetrado (UTILIZAMOS LA APLICACIÓN GRAPES) graficamos los valores de VD e ID de las dos tablas en un solo gráfico para obtener la curva característica del diodo.
GRÁFICA #1 VD vs ID CURVA CARACTERÍSTICA DIODO 1N4007
6. Remplazamos el diodo de la sección anterior por un LED y realizamos el mismo procedimiento. Con el multímetro medimos y calculamos los valores de voltaje continuo en el LED (VD), el voltaje en la resistencia (VR) y la corriente en el LED.
XMM1 XMM5
LED1
LED1 XMM2
R3 330Ω
V4 10 V
V4 10 V
R3
330Ω
V1 [Volt]
VD [Volt]
VR [Volt]
ID= VR/R [Amper]
0.000
0.000
0.000
0.000E+00
0.500
0.508
0.000
0.000E+00
0.700
0.704
0.000
0.000E+00
1.000
1.000
0.000
0.000E+00
1.500
1.490
0.000
0.000E+00
2.000
1.780
0.150
4.545E-04
5.000
1.920
2.940
8.909E-03
10.000
1.990
7.870
2.385E-02
Invierta la polaridad de V1 y obtenga los valores del LED en polarización inversa.
XMM3
XMM6
LED2 LED2
R4 330Ω
V3 -10 V
XMM4
R4 330Ω
V3 -10 V
V1 [Volt]
VD [Volt]
VR [Volt]
ID= VR/R [Amper]
0.000
0.000
0.000
0.000E+00
-1.000
-1.000
0.000
0.000E+00
-2.000
-1.670
0.000
0.000E+00
-3.000
-1.740
0.000
0.000E+00
-4.000
-1.770
0.000
0.000E+00
-5.000
-1.788
0.000
0.000E+00
-10.000
-1.839
0.000
0.000E+00
-12.000
-1.852
0.000
0.000E+00
Mediante de papel milimetrado (UTILIZAMOS LA APLICACIÓN GRAPES) grafique los valores de VD e ID de kas dos tablas en un solo gráfico para obtener la curva característica del diodo.
0.04
GRÁFICA #2 VD vs ID CURVA CARACTERÍSTICA LED
ID
0.03
0.02
0.01
VD -2.4
-2.2
-2
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
-0.01
-0.02
-0.03
IMÁGENES
Armado el circuito asignado procedimos a realizar las mediciones correspondientes
2
2.2
2.4
Utilizando un multímetro digital medimos los valores de voltaje en el diodo (imagen superior) y la resistencia (imagen inferior)
II. PARTE: 7. Armamos el circuito que se muestra en la figura
8. Medimos el voltaje de cada diodo y el de la resistencia y completamos la siguiente tabla indicando que diodo conduce en cada caso. TABLA CON VALORES REALES Va (Volt)
Vb(Volt)
VD1(Volt)
VD2(Volt)
VR(Volt)
Conduce diodo
Corriente(A) D1
D2
5
3
689 E-3
1.291
4.24
D1
12.77 E-3
0
3
5
-1.291
-695 E-3
4.27
D2
0
12.74 E-3
5
5
668 E-3
645 E-3
4.34
AMBOS
1.379 E-3
0.985 E-3
TABLA CON VALORES SIMULADOS Va (Volt)
Vb (Volt)
VD1 (Volt)
VD2(Volt)
VR(Volt)
Conduce Diodo
5
3
669.133E-3
1.331
4.331
D1
3
5
-1.331
-669.133 E-3
4.331
D2
5
5
633.423 E-3
633.423 E-3
4.367
AMBOS
9. Explicación de lo que ocurre en cada caso con respecto a la conducción de cada diodo en función de su voltaje. Un diodo es un componente semiconductor, que se caracteriza por permitir un fácil paso de corriente en un sentido y difícil en el contrario. Concretamente, el diodo conduce corriente fácilmente desde el ánodo hacia el cátodo, pero no al revés. En esta sección podemos observar que la forma en el que el diodo este conectado dentro del sistema, sus terminales (ánodo y cátodo), controlarán el funcionamiento el circuito. Un diodo conduce o está activo/encendido si el voltaje en el ánodo es mayor al voltaje en el cátodo. Sabiendo esto, fácil determinar dentro de los casos estudiados cual diodo conduce y cual no, tomando a los diodos como un cortocircuito (estando encendido) o circuito abierto (cuando esta apagado). Caso 1: el diodo 1 esta activo y el diodo 2 esta apagado, esto debido a que el voltaje por esa rama (5V) entrando por el cátodo, es mayor que el voltaje proveniente de la fuente (3V), provocando que actúe como un circuito abierto. Si analizamos el Caso 2: veremos que las fuentes son cambiadas, se invierten los papeles, se observa que el diodo 1 se apaga y el diodo 2 esta encendido pasa corriente a través de él. Para el Caso 3: ambos diodos conducen.
IMÁGENES
Armado el circuito procedimos a tomar las mediciones correspondientes a los diodos y la resistencia.
III. PARTE. 10. Para cada uno de los siguientes circuitos, determine el voltaje y la corriente de cada diodo y de la resistencia RL y determine cuál de los diodos está en polarización y cuál inversa. Circuito No.1: XMM2
XMM1 XMM5
R2
D2
D3 R1
3.9kΩ
1N4007
1N4007
3.9kΩ
D1
D2
1N4007
1N4007 XMM3
V2 10 V
R1 6kΩ
V3 3V
V1 10 V
R2 6kΩ
XMM4
D1 D2 RL
V medido
V simulador
I medida
I simulador
Polarización
0,57 V 2,63 V 5,64 V
0,532 V 2,68 V 5,68 V
0,933 A 0A 0,932 A
0,932 uA 0A 0,932 uA
Directa Inversa
XMM6
V2 3V
Circuito No.2: XMM8
XMM11
D2
V4
1N4007 6V
V2 6V
V5
3V
D3
D5
1N4007
XMM10
D6
1N4007 XMM12
V1 3V
R7 1kΩ
1N4007 R3 1kΩ
XMM9 XMM13
D3 D4 RL
V medido
V simulador
I medida
I simulador
Polarización
0,64 V 1,99 V 4,98 V
622,65 mV 2,37 V 5,38 V
5,01 mA 0A 5,01 mA
5,38 mA 0A 5,38 mA
Directa Inversa
Circuito No.3:
R2
R3 XMM15
5.1kΩ
D3 1N4007
5.1kΩ V2 15 V
D2 1N4007
XMM17
XMM18
R4 10kΩ
V6 15 V
XMM16
R3
10kΩ D4
D3
1N4007 R6 10kΩ
XMM7
1N4007 R1
R4
5.1kΩ
10kΩ
R5 5.1kΩ
XMM14
D6 D5 RL
V medido
V simulador
I medida
I simulador
Polarización
0,58 V 0,22 V 7,22 V
554,49 mV 247,08 mV 7,21 V
-1,42 mA 0 1,44 mA
-1,445 mA 0A 1,42 mA
Directa Inversa
11. Para el siguiente circuito determine la corriente de los diodos y el voltaje de salida para una entrada de 10 V y de 20 V. Luego conecte en la salida una RL de 10 k Ω en paralelo con el grupo de cuatro diodos y haga las mismas mediciones. XMM1
R8 XMM2
R1
1kΩ
D7 1N4007
1kΩ D1 1N4007
XMM3
XMM4
D8 1N4007
V1 10 V
D2 1N4007
V3 10 V
XMM5
XMM6
D9 1N4007
D3 1N4007
XMM7
XMM8
D10 1N4007
D4 1N4007 XMM9
Circuito No. 4
V = 10V
D7 D8 D9 D10 RL
V medido
V simulador
I medida
I simulador
0,66 V 0,66 V 0,66 V 0,66 V 7,23 V
0,70 V 0,59 V 0,56 V 0,55 V 7,32 V
7,21 mA 7,21 mA 7,21 mA 7,21 mA 7,22 mA
7,25mA 7,25mA 7,25mA 7,25mA 7,25mA
V medido
V simulador
I medida
I simulador
703 mV 705 mV 710 mV 703 mV 16,8 V
713 mV 709 mV 708 mV 705 mV 17,2 V
29,2 mA 28,4 mA 28,4 mA 28,4 mA 28,5 mA
29,7mA 29,7mA 29,7mA 29,7mA 29,7mA
Vo=2,64 V
Circuito No.5
V = 20 V
D7 D8 D9 D10 RL
Vo= 2,89 V
Anexando una resistencia de 10kΩ en paralelo a los diodos XMM1
R8 XMM2
R1
1kΩ
D7 1N4007
1kΩ
D1 1N4007
XMM3
XMM4
D8 1N4007 V3 10 V
D2 1N4007
XMM5
R2 V1 10 V
XMM11
10kΩ
R1 10kΩ
XMM6
D9 1N4007
D3 1N4007
XMM7
XMM8
XMM12
D10 1N4007
D4 1N4007 XMM9
Circuito 4.1
V= 10 V , 10 kΩ
RL 1K D7 D8 D9 D10 RL 10 K
V medido
V simulador
I medida
I simulador
7,18 V 0,66 V 0,66 V 0,66 V 0,66 V 2,66 V
7,23 V 0,69 V 0,64 V 0,65 V 0,66 V 2,63 V
7,12 mA 6,84 mA 6,82 mA 6,82 mA 6,83 mA 6,83 mA
7,19 mA 6,73 mA 6,78 mA 6,80 mA 6,82 mA
V medido
V simulador
I medida
I simulador
16,88 V 0,73 V 0,73 V 0,73 V 0,73 V 2,82 V
17,05 V 0,75 V 0,75 V 0,74 V 0,74 V 2,81 V
16,8 mA 16,7 mA 16,7 mA 16,7 mA 16,7 mA 0,28 mA
17,04 mA 16,7 mA 16,5 mA 16,5 mA 16,5 mA 0,32 mA
Vo=2,64 V
Circuito 5.1
20 V; 10 kΩ
RL 1K D7 D8 D9 D10 RL 10 K
Vo= 2,92 V
CUESTIONARIO 1. ¿Cómo se puede verificar el estado de un diodo utilizando un multímetro?
R/.: Determinar si un diodo está en buen estado o no es muy importante en el trabajo en electrónica, pues esto le permitirá poner a funcionar correctamente un circuito electrónico. Es indispensable saber en que estado se encuentran los componentes que utiliza. Hoy en día existen multímetros (VOM) digitales que permiten probar con mucha facilidad un diodo, pues ya vienen con esta opción listos de fábrica. Para empezar, se coloca el selector para medir resistencias (ohmios / ohm), sin importar de momento la escala. Se realizan las dos pruebas siguientes: 1 - Se coloca el cable de color rojo en el ánodo de diodo (el lado de diodo que no tiene la franja) y el cable de color negro en el cátodo (este lado tiene la franja). El propósito es que el multímetro inyecte una corriente continua en el diodo (este es el proceso que se hace cuando se miden resistores). - Si la resistencia que se lee es baja indica que el diodo, cuando está polarizado en directo, funciona bien y circula corriente a través de él (como debe de ser). - Si esta resistencia es muy alta, puede ser una indicación de que el diodo esté "abierto" y deba que ser reemplazado. 2 - Se coloca el cable de color rojo en el cátodo y el cable negro en el ánodo del diodo. En este caso como en anterior el propósito es hacer circular corriente a través del diodo, pero ahora en sentido opuesto a la flecha de éste. - Si la resistencia leída es muy alta, esto nos indica que el diodo se comporta como se esperaba, pues un diodo polarizado en inverso casi no conduce corriente. - Si esta resistencia es muy baja puede se una indicación de que el diodo está en "corto" y deba ser reemplazado. Nota: - El cable rojo debe ir conectado al terminal del mismo color en el multímetro - El cable negro debe ir conectado al terminal del mismo color en el multímetro (el común / common)
Prueba de diodos y medidor de continuidad: Cuando requerimos comprobar el buen estado de un cable que consideramos sospechoso la manera de probarlo es midiendo su continuidad, se trata de un zumbador (buzzer) que emite un sonido agudo cuando hay poca o ninguna resistencia entre las puntas del multímetro, esto nos permitirá comprobar si se comunican adecuadamente 2 puntos que deben estar unidos por cable o por trazado de circuito impreso o por conductores flexibles como los que se usan comúnmente en equipos de sonido y computadores laptop.
La prueba de diodos requiere de 2 operaciones: medir en un sentido y en sentido opuesto, los diodos en buen estado solo deben medir en un solo sentido (conducción en sentido de polarización directa) y deben tener una resistencia infinita (medir infinito=no medir) en el sentido opuesto (sentido de polarización inversa).
Cuando el diodo está dañado puede medir en ambos sentidos o medir “cero” como si fuese un cable.
Para poder identificar en ánodo y el cátodo de un diodo utilizando un óhmetro, bastará con poner en contacto las terminales del diodo con las puntas del óhmetro y observar la lectura en la carátula; si presenta una resistencia en el orden de algún mega ohm, será porque lo polarizamos directamente y podremos así relacionar el ánodo y el cátodo. El ÁNODO corresponderá a la terminal que está conectada en nuestro instrumento de medición en la entrada de ohm, y el CÁTODO será el que esté conectado a la punta de nuestro óhmetro en la entrada común (COM). Si conectamos el diodo a nuestro medidor con las puntas invertidas, entonces nos mostrará una lectura con una resistencia infinita, de ésta forma invirtiendo la lógica anterior, también podremos saber cuáles son el ánodo y el cátodo.
2. ¿Cómo se pueden reconocer las terminales de un diodo?
R/.: En la figura se muestra el símbolo de un diodo. Posee dos terminales: el marcado con la letra A se denomina "Ánodo", y el marcado con la letra K, se denomina "Cátodo". Un diodo es un componente semiconductor, que se caracteriza por permitir un fácil paso de corriente en un sentido y difícil en el contrario. Concretamente, el diodo conduce corriente fácilmente desde el ánodo hacia el cátodo, pero no al revés. EL DIODO RECTIFICADOR Son diodos especialmente diseñados para convertir corrientes alternas AC o bidireccionales en corrientes directas DC o unidireccionales, dicho proceso se denomina RECTIFICACIÓN muy usado en el diseño de fuentes de alimentación y poder AC/DC. En general los terminales de un diodo se denominan ANODO (A) siendo el terminal positivo conectado al lado P y CATODO (K) correspondiente al terminal negativo conectado al lado N.
Simbología de Diodo Rectificador Para el caso de los diodos LED, podremos identificar ambos terminales fácilmente, ya que el terminal del cátodo siempre es mas corto:
Si los terminales ya los hemos cortado, también podremos identificar el ánodo y el cátodo observando el interior del componente: la pieza metálica más grande se corresponde con el cátodo:
3. ¿En qué consiste la polarización directa y cuál seria el comportamiento del diodo en esta condición?
R/.: Si el terminal positivo de la fuente está conectado al material tipo p y el terminal negativo de la fuente está conectado al material tipo n, diremos que estamos en "Polarización Directa". La conexión en polarización directa tendría esta forma:
En este caso tenemos una corriente que circula con facilidad, debido a que la fuente obliga a que los electrones libres y huecos fluyan hacia la unión. Al moverse los electrones libres hacia la unión, se crean iones positivos en el extremo derecho de la unión que atraerán a los electrones hacia el cristal desde el circuito externo. Así los electrones libres pueden abandonar el terminal negativo de la fuente y fluir hacia el extremo derecho del cristal. El sentido de la corriente lo tomaremos siempre contrario al del electrón.
Lo que le sucede al electrón: Tras abandonar el terminal negativo de la fuente entra por el extremo derecho del cristal. Se desplaza a través de la zona n como electrón libre. En la unión se recombina con un hueco y se convierte en electrón de valencia. Se desplaza a través de la zona p como electrón de valencia. Tras abandonar el extremo izquierdo del cristal fluye al terminal positivo de la fuente. A la tensión externa que anula la barrera de potencial de la unión y la deja preparada para el paso de los respectivos portadores mayoritarios, se le denomina tensión Umbral. Se la representa po Vu y sus valores prácticos son: Para el Silicio Vu = 0,4 - 0,5 voltios Para el Germanio Vu = 0,05 - 0,06 voltios En esta situación, al aplicar un aumento en la tensión exterior, los electrones se sentirán atraídos por el polo positivo de la pila y los huecos por el negativo de la misma. No hay
dificultad para atravesar la unión y por tanto aparecerá una corriente de mayoritarios a través del circuito. A partir de aquí, cualquier aumento de tensión provoca un aumento de la corriente. Al conjunto de tensiones que crean corriente proporcional en el diodo se les llama tensiones de polarización directa o de funcionamiento. Sus valores típicos son: Para el Silicio 0,5 - 0,8 voltios Para el Germanio 0,06 - 0,15 voltios
Flujo de corriente en un diodo polarizado en directo Parece lógico pensar que llegará un momento en que el proceso, aumento de tensión exterior, aumento de corriente en la unión, tendrá que parar. Y esto es así, porque a partir de un determinado valor de la tensión exterior aplicada, los electrones se neutralizan en mayor número con los huecos en el interior del diodo y son pocos los que pueden salir al circuito exterior. Es decir que el aumento es absorbido por el mismo diodo. A esta tensión a partir de la cual la corriente a través del diodo se mantiene constante, ( en la práctica aumenta ligeramente) se le denomina tensión de saturación. Sus valore típicos son: Para el Silicio Vsat 0,8 - 0,9 voltios Para el Germanio Vsat 0,15 - 0,2 voltios Cualquier intento de provocar un aumento de corriente puede originar a partir de este momento la destrucción del diodo.
4. ¿Cómo es la curva característica de un diodo rectificador?
R/.: CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO Con la polarización directa los electrones portadores aumentan su velocidad y al chocar con los átomos generan calor que hará aumentar la temperatura del semiconductor. Este aumento activa la conducción en el diodo. Comportamiento Ideal Un Diodo idealmente se comporta como un interruptor perfecto, presenta una resistencia cero (0) cuando se polariza directamente y una resistencia infinita cuando se polariza inversamente. La caída de tensión entre sus terminales para el caso de polarización directa debe de ser cero voltios (0 voltios) independientemente de la corriente a través suyo, y para el caso de la polarización inversa la corriente debe ser de cero amperes (0 amperes), independientemente del voltaje aplicado. Lo anterior se expresa en detalla en la siguiente Curva Característica .
Curva Característica del Diodo Rectificador Ideal Comportamiento Real Realmente los diodos rectificadores tienen un comportamiento levemente diferente del ideal, esto se demuestra en la siguiente curva característica:
Comportamiento Real del Diodo Rectificador Teniendo en cuenta las curvas anteriores se pueden denotar las siguientes características de interés que son claves para comprender cómo trabajan los diodos reales, estas características son: En polarización directa la conducción del diodo no empieza en 0V, esta empieza a partir del momento en que el voltaje externo ( voltaje de polarización) supera un valor mínimo de umbral “VD“. Este es prácticamente igual al potencial de barrera de la unión PN. La caída de tensión en un diodo en polarización no es 0 voltios, esta tiene un valor definido y que es ligeramente superior al valor de la barrera de potencial y su magnitud depende de la magnitud de la corriente IF conducida. Esta caída se denomina “VOLTAJE DE CONDUCCIÓN DIRECTA“ La corriente de polarización inversa no es 0 Amp, esta tiene un valor llamado II (I inversa) el cual es muy bajo del orden de los uA o nA, esta magnitud (II) depende directamente de la magnitud del voltaje VI (Voltaje Inverso). Esta corriente (II) es denominada corriente de fugas y es generada por los portadores minoritarios del cristal. En rectificación inversa un diodo puede llegar a conducir cuando el voltaje aplicado
alcanza cierto valor. Este valor es llamado “ Voltaje de Ruptura o Voltaje de Avalancha“. En la situación en que un diodo entra en la región de avalancha o alcanza el voltaje de avalancha, la corriente inversa de fuga se incrementa rápidamente y puede llegar a dañar el dispositivo si no es limitada correctamente . En los diodos rectificadores
el voltaje de avalancha es por lo general muy alto, del orden de los 80, 90, 100 Voltios o más. Como la mayoría de los dispositivos semiconductores y electrónicos, se identifican a través de una referencia. El sistema de referencias puede ser Americano, Europeo o Japonés. En el Sistema Americano la referencia viene dada por un prefijo “1N” quien va seguido de un número de serie, por ejemplo 1N4007. 1N implica el número de uniones y el resto del número las características del dispositivo. En el sistema Europeo, se utilizan también prefijos de dos letras, así las referencias serian por ejemplo: BY254. La B indica el material de construcción (silicio en este caso) y la “Y” el tipo (en este caso se trata de un diodo Rectificador). En Conclusión se puede decir que: Los diodos rectificadores se especifican por la corriente máxima promedio que pueden conducir en polarización directa sin llegar a romperse por efecto de la temperatura generada; también por el máximo voltaje de polarización inversa sin entrar en avalancha. Datos como estos y otros de interés general se consiguen en la hojas de datos de los fabricantes de los dispositivos.
Característica I/V de un diodo semiconductor Vu Tensión umbral Vs Tensión de saturación Vr Tensión de ruptura OA Zona de baja polarización directa, pequeña corriente AB Zona de conducción OC Corriente inversa de saturación A partir de C, zona de avalancha
5. Mencione las principales características del diodo 1N4007, 1N4001, 1N4048 que aparecen en el manual de reemplazo
R/.: Características del diodo 1N4001 y 1N4007: Características del diodo 1N4001, un diodo rectificador empleado en fuentes de alimentación (circuitos que convierten una tensión alterna en una tensión continua). La serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 son siete diodos que tienen las mismas características con polarización directa, pero en polarización inversa sus características son distintas. Primeramente analizaremos las "Limitaciones máximas" que son estas:
Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento. Lo importante es saber que la tensión de ruptura para el diodo es de 50 V, independientemente de cómo se use el diodo. Esta ruptura se produce por la avalancha y en el 1N4001 esta ruptura es normalmente destructiva. Corriente máxima con polarización directa Un dato interesante es la corriente media con polarización directa, que aparece así en la hoja de características:
Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1 A con polarización directa cuando se le emplea como rectificador. Esto es, 1 A es el nivel de corriente con polarización directa para el cual el diodo se quema debido a una disipación excesiva de potencia. Un diseño fiable, con factor de seguridad 1, debe garantizar que la corriente con polarización directa sea menor de 0,5 A en cualquier condición de funcionamiento. Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos es tanto más corta cuanto más cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por esta razón, algunos diseñadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1, para 1N4001 será de 0,1 A o menos. Caída de tensión con polarización directa Otro dato importante es la caída de tensión con polarización directa:
Estos valores están medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantáneo en la especificación. El 1N4001 tiene una caída de tensión típica con polarización directa de 0,93 V cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la unión es de 25 ºC. Corriente inversa máxima En esta tabla esta la corriente con polarización inversa a la tensión continua indicada (50 V para un 1N4001).
Esta corriente inversa incluye la corriente producida térmicamente y la corriente de fugas superficial. De esto deducimos que la temperatura puede ser importante a la hora del diseño, ya que un diseño basado en una corriente inversa de 0,05 mA trabajará muy bien a 25 ºC con un 1N4001 típico, pero puede fallar si tiene que funcionar en medios donde la temperatura de la unión alcance los 100 ºC. Diodo 1N4001:
Diodo 1N4007:
Característica del diodo 1N4048:
CONCLUSIONES
El desarrollo de ésta práctica fue muy interesante y productivo, ya que nos permitió conocer de una manera teórica-práctica el porqué del comportamiento de los diodos en los diferentes sistemas electrónicos que lo utilizan. Los terminales de un diodo se denominan ánodo, el terminal positivo, y cátodo correspondiente al terminal negativo. En dirección directa el diodo conduce corriente, actúa como un cortocircuito, esto debido a que el voltaje en el ánodo es mayor que en el cátodo. En dirección inversa el diodo no conduce corriente, actúa como un circuito abierto, esto debido a que el voltaje en el cátodo es mayor que en el ánodo. La polarización directa consiste en situar un potencial mayor en el ánodo que en el cátodo, para que un diodo pueda conducir la corriente eléctrica, hay que eliminar en todo o en parte la zona desértica, lo que quiere decir que hay que disminuir la barrera, haciendo que cargas obtengan energía para liberarse de sus enlaces y moverse. Esta experiencia ha sido de gran ayuda para conocer el funcionamiento del diodo 1N4007 como un diodo LED permitiéndonos interpretar y analizar el comportamiento de la corriente y el voltaje sobre distintos circuitos compuestos por diodos y también adquiriendo un poco más de habilidad en el armado de los circuitos sobre un tablero de pruebas (protoboard). Cabe destacar la importancia de un buen diseño en los circuitos para evitar que tengamos un error en las mediciones y cálculos posteriores, por lo cual cada circuito fue ensamblado de manera cuidado con sus respectivos componentes y además realizamos simulaciones utilizando Multisim, lo que nos ayudo para probar la veracidad de la experiencia.
