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Laboratorio
CARACTERÍSTICAS Y CIRCUITOS CON DIODOS 1. LISTA DE MATERIALES Diodo de Germanio (1N34) o similar. Diodo de Silicio rectificador (1N4007) o similar. Diodo Zener de 5.1 [V]/500 [mW] (1N751) o similar. Diodo Zener de 9.1 [V] (1N757) o similar, potencia del diodo de acuerdo al diseño. Opto diodo. Diodo Varactor. Lote de resistencias de todo valor: 330[]; 470[]; 1[K]; 2.2 [K]; 4.7 [K]; 10 [K] todos de ½ [W]; 220 [] de 2 [W] y 470 [] de 1 [W]. Potenciómetro de 1 [K]. Capacitores electrolíticos de 10 [F]; 100 [F]; 470 [F]; 1000 [F] todos para 35 [V] o más.
2. LISTA DE INSTRUMENTOS A UTILIZAR Fuente de alimentación variable DC. Multímetro. Osciloscopio. Generador de Funciones.
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Consideraciones previas al laboratorio. Armado en Protoboard Para las prácticas del laboratorio de electrónica analógica, el uso correcto del protoboard es importante para obtener un armado que permita un seguimiento fácil de las señales a lo largo del procesamiento de la misma y un análisis respectivo para una rápida y/o ordenada verificación del trabajo que se está realizando. El esquema mostrado a continuación es un ejemplo el que deberá seguirse a lo largo de éste y los siguientes laboratorios.
Un armado práctico de un circuito simple es como sigue:
3. OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA A REALIZAR 3.1 OBJETIVO GENERAL Analizar, diseñar e implementar circuitos con dispositivos de una juntura (diodo) y conocer su comportamiento de diferentes circuitos. Página 2 de Laboratorio I
3.2 OBJETIVOS ESPECIFÍCOS Los objetivos específicos que a continuación se señalan son para cada experimento. a) Mostrar cómo se prueban diodos de Germanio y Silicio con el multímetro y verificar en forma práctica que los diodos de propósito general tienen baja resistencia en polarización directa. b) Verificar en forma práctica que los diodos de propósito general tienen alta resistencia en polarización inversa. c) Verificar el comportamiento del Diodo de uso general frente a una variación de Temperatura y los efectos causados en sus características eléctricas. d) Realizar las medidas pertinentes para construir las curvas características de los diodos de Germanio y Silicio, realizar observaciones en cuanto a las diferencias encontradas si es que existen. e) Analizar circuitos con diodos especiales como los opto diodos varactores y sus características. f) Mostrar que los Diodos trabajan como recortadores de tensión positiva y negativa y demostrar cómo el diodo recortador altera la forma de onda de una señal aplicada al diodo. g) Mostrar cómo construir circuitos recortadores de Tensión que introducen los componentes de valor medio a las ondas sinusoidales y otras. h) Verificar que los diodos producen cambios de voltaje alterna a continua y que se pueden obtener tensiones positivas y negativas invirtiendo las conexiones del diodo. Verificar cómo se construye un rectificador de media onda, onda completa y mostrar que la tensión de salida DC de un rectificador simple de media onda y onda completa contienen componentes AC. Además, verificar los efectos de variar el condensador de filtrado y la resistencia de carga de los rectificadores de media onda y del rectificador de onda completa. i) Verificar el funcionamiento de circuitos multiplicadores de Tensión requerido en algunos casos en aplicaciones especiales. j) Comprobar el funcionamiento de circuitos reguladores verificando que los Diodos Zener en polarización inversa no excede su rango de voltaje especificado en las hojas del fabricante. k) Aplicar los conocimientos adquiridos por el estudiante durante la experimentación y plasmarlos en la proposición de un ejemplo a desarrollar en laboratorio. Para el cumplimiento pleno de los objetivos trazados en esta práctica se puede realizar las medidas de tensión. Corriente, riple y cualquier otro parámetro que considere sea de importancia.
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4. REALIZACIÓN DEL PRE - INFORME. a) CARACTERÍSTICAS DE POLARIZACIÓN DIRECTA. Explique detalladamente el funcionamiento de un circuito en Polarización Directa, para un diodo de uso general y el funcionamiento de un circuito en Polarización Inversa, para un diodo Zener, mostrado en las figuras 1 y 2 respectivamente. Indique que tipo de precauciones prácticas se debe tener para no sobrepasar la máxima condición de operación de un diodo semiconductor. Investigue las características eléctricas del diodo de uso general y del diodo Zener a utilizar.
D1 DIODE
P1 1k 10%
D1 ZENER
+
V1 15V
Voltímetro
P1 1k 10%
DC A NO DATA
DC V NO DATA
+
DC A NO DATA
V1 15V
R1 1k
Voltímetro
Amperímetro
FIGURA 1
DC V NO DATA
R1 1k
Amperímetro
FIGURA 2
b) CARACTERÍSTICAS DE POLARIZACIÓN INVERSA. Explique detalladamente el funcionamiento de un circuito en polarización Inversa para el Diodo de uso general en base a la figura 3 y el funcionamiento de un circuito en Polarización Directa para un Diodo Zener en base a la figura 4. Indique que tipo de precauciones prácticas se debe tener para no sobrepasar las características de operación eléctricas en estas condiciones.
FIGURA
V1 15V
+
D1 ZENER
P1 1k 10%
Amperímetro
3
Voltímetro DC V NO DATA
P1 1k 10%
DC V NO DATA
D1 DIODE
+
DC A NO DATA
V1 15V
R1 1k
Voltímetro
DC A NO DATA
R1 1k
Amperímetro
FIGURA 4
c) EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN UN SEMICONDUCTOR. Explique detalladamente los efectos de la temperatura que sufre un Diodo semiconductor, indique cuáles son las características eléctricas que son afectados y en que porcentaje se Página 4 de Laboratorio I
incrementan de acuerdo a los cambios de temperatura que pueda sufrir. Considera una variación de 100 C desde –50 C pasando por 25 C y llegando a 50ªC (teóricamente). R2 1k
R1 1k
V2 15V
+
D2 DIODE
DC A NO DATA
D1 DIODE
DC V NO DATA
+
DC A NO DATA
V1 15V
Ampe rímetr o
DC V NO DATA
Volt ímetro
Volt ímetro
Ampe rímetr o
FIGURA 5
d) CARACTERÍSTICA TENSIÓN-CORRIENTE (V-I) Utilizando los circuitos indicados la figura 1 al 4 obtenga las características V-I para los siguientes diodos: Germanio (1N34) o similar, Silicio (1N4007) o similar, Zener de 5.1 [V]/500[mW] (1N751) o similar, Zener de 9.1[V] (1N757) o similar. e) CARACTERÍSTICAS DEL OPTO DIODO y VARACTOR. Explique detalladamente el funcionamiento de estos dispositivos semiconductores, investigue también las características eléctricas de los mismos. Diseñar un circuito mediante el cual se pueda reconstruir la curva característica de este semiconductor.
El símbolo de los dispositivos es:
D1 BBY31
D1
CONFORMADORES DE ONDA Analicé la señal de salida (Vo) para el circuito de la figura 6 donde la señal de entrada Vi es una onda Triangular simétrica de 14V de amplitud y periodo de 10ms. Representar sobre una misma gráfica y a escala las formas de onda de salida y entrada indicando los niveles de tensión e instantes significativos de aquellos. Suponga que los diodos son ideales tanto para el análisis teórico como en laboratorio. b) Ídem que a) si los diodos son reales. Datos: R1 = R9 = R12 = R51= 1 K R10 = R13 = R15 = 10 K R2 = R3 = R4 = R6 = R8 = R7 =100
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FIGURA
6
f) RECORTADOR DE ONDA En el circuito de la figura (7), analizar la forma de onda de la tensión de salida V o, cuando la tensión de entrada es una señal senoidal simétrica de valor 30Vpp: Datos:
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R1(1) R1(1)
BAT2(-)
R1 2k
D1
BAT2 9V
DIODE
BAT1
D2 DIODE
6V
Figura 7
g) RECTIFICADORES. Diseñar un rectificador de onda completa que entregue una tensión de continua igual a -15 [V], y una corriente continua sobre la carga de 300mA, con un voltaje de ripple de 0.4 [V]. Realice el análisis y cálculo de: a) b) c) d) e) f)
Modelo del circuito (rectificador - filtro). Potencias, tensiones y corrientes del circuito. Componentes asociados al circuito. Rendimiento del circuito. Filtro - tipo RC. Transformador.
h) MULTIPLICADORES DE TENSIÓN. Diseñe e implemente un circuito que permita obtener a la salida: a) Una señal igual al doble de la tensión de entrada b) Una señal igual al cuádruple de la tensión de entrada Nota.- Considerar la señal de entrada una onda alterna triangular de 10Vpp. Página 7 de Laboratorio I
i) CIRCUITO REGULADOR. Dado el siguiente circuito de la figura (8): D1 BRIDGE
T1
a
S
R
R1
+
Vi C
b
D2 ZENER
RL
Figura 8
Si Vi=12 sen (wt), Donde D1=D2=D3=D4, con rf=100Ω, Vd=0.7v, f=50Hz, R1=1kΩ a) Considerar S abierto. En estas condiciones Dibujar la forma de onda en el punto (a) considerar C=100µF. Hallar Vcc, Icc y Idmax de cada diodo. b) Considerar S cerrado. Determinar los valore de R y Vz del diodo Dz, considerando Va=Vcc+/-20%Vcc con el objeto de mantener en la carga 7 voltios y una variación de corriente de 0 a 200mA. Determinar así mismo Pzmax. j) APORTE DEL ALUMNO En base a los puntos del laboratorio, prepare un ejercicio e impleméntelo, obteniendo los resultados requeridos, explique claramente su funcionamiento.
SIMULACIÓN Para todos los puntos anteriores, utilice un programa de simulación (workbench, circuit maker, multisim, Proteus, etc.) e implemente con dicha herramienta el Laboratorio.
5. REALIZACIÓN DE LABORATORIO. Para la presentación de laboratorio el estudiante necesariamente debe disponer de todos los puntos armados en protoboard antes del inicio de sesión de la práctica. a) CARACTERÍSTICAS DE POLARIZACIÓN DIRECTA. Arme el circuito de la figura 1, 2 y mueva el potenciómetro de un extremo al otro, del mismo se deben adquirir los datos suficientes como para dibujar en una hoja milimetrada la curva característica del Diodo en polarización directa, haciendo énfasis en la obtención del voltaje de arranque. Página 8 de Laboratorio I
b) CARÁCTERÍSTICAS DE POLARIZACIÓN INVERSA. Arme el circuito de la figura 3, 4 y mueva el potenciómetro de un extremo a otro, del mismo se deben adquirir los datos suficientes como para dibujar la curva característica del Diodo en Polarización Inversa, repita el proceso para el diodo Zener. c) EFECTO DE LA TEMPERATURA. Arme el circuito de la figura 5 (Primero con un diodo de Silicio y posteriormente con un diodo de Germanio), de acuerdo con su hoja de especificaciones del componente acerque un cautín caliente al diodo en curso, manteniéndolo próximo al diodo un tiempo razonable. Luego realice las observaciones que el caso requiera comparando el funcionamiento del diodo en temperatura normal y los cambios que sufre (si es que los hubiera), a causa del incremento en la temperatura. d) CARA CTERÍSTICA TENSIÓN-CORRIENTE (V-I) Arme los circuitos de la figura 1- 4, mueva el potenciómetro P1 desde un mínimo hasta un máximo valor según los valores de la tabla 1, segmentando los valores del potenciómetro en 10 medidas mínimamente y obtenga datos V Vs I según la tabla 1 y grafique en una hoja de cálculo la curva correspondiente al componente. VA-K
[V]
Polarización Directa ID,
VA-K
[V]
[mA]
0 0.1 0.2 0.4 . . 0.8
Polarización Inversa ID, [mA]
0 -5 -10 -20 . . -40 Tabla 1
e) CARACTERISTICAS DEL OPTPDIODO Y DIODO VARACTOR Arme los circuitos que usted haya propuesto en su pre-informe para la obtención de las curvas características del Diodo Varactor o el Opto Diodo compare con las curvas características emitidas por el fabricante y emita las conclusiones con respecto a la elaboración de este punto. f) CONFORMADORES DE ONDA Arme el circuito de la figura 6 y compruebe con los cálculos realizados en su pre-informe, tome los datos y las medidas correspondientes a este punto, emita las conclusiones que el caso requiera. Luego variar la tensión de entrada y emitir sus propias conclusiones. Página 9 de Laboratorio I
g) RECORTADOR DE ONDA Arme el circuito propuesto en la guía en la figura 7 con los valores calculados en su pre informe y demuestre su funcionamiento. Utilice un generador de ondas e introduzca una señal senoidal como se muestra en la tabla. Verifique la onda de salida conforme a lo presentado en el pre informe. VPP
Forma de Onda (+) 10 Vent 0 (-) 10 (+) 10
a)
0 (-) 10 (+) 10
b)
0 (-) 10 (+) 10
c)
0 (-) 10
h) CIRCUITO RECTIFICADOR. Arme el circuito propuesto en el pre informe y demuestre su funcionamiento práctico, tome nota de las medidas efectuadas y dibuje las formas de onda resultantes con y sin filtrado en ambos circuitos, además indique las diferencias que existen entre estos dos rectificadores si estas existen. i) MULTIPLICADOR DE TENSIÓN. Arme el circuito propuesto en el pre-informe y demuestre su funcionamiento. Tome nota de las medidas que el caso requiera y dibuje las formas de onda obtenidas si la señal sinusoidal de 5 Vpp y 1 KHz. Varíe la frecuencia y verifique si existe alguna variación, de ser así obtenga el rango de frecuencias de buen funcionamiento y explique por qué posee ese rango. Página 10 de Laboratorio I
j) CIRCUITO REGULADOR CON DIODO ZENER. Arme el circuito de la figura 8, inicialmente compruebe sus cálculos teóricos y posteriormente varíe la entrada de +15 a –15 Voltios DC en pasos de 1 Voltio, considerando una carga constante de 2.2 [K], en estas condiciones tomar nota de los datos que requiera el caso para efectuar las siguientes gráficas: VO vs. Vi IZ vs. VI VO vs. IL Seguidamente variar la carga desde un circuito abierto hasta por lo menos 0.47 [K], considerando constante la entrada Vi, graficar VO vs IL. Sustituir Vi por un generador sinusoidal de 15 Vpp, y de 1 Khz de frecuencia y dibujar las formas de entrada y salida. k) APORTE DE ALUMNO Arme el circuito propuesto en el pre-informe y demuestre su funcionamiento, obteniendo las tablas y graficas necesarias.
6. INFORME FINAL. Presentar los resultados obtenidos en laboratorio, con los respectivos análisis de los datos experimentales obtenidos, interpretando cada uno de los comportamientos físicos obtenidos, para cada una de las prácticas elaboradas realizar las respectivas observaciones con respecto a lo aprendido y emitir conclusiones de las mismas. Tome en cuenta los objetivos de la práctica pues son muy importantes para la elaboración final del informe: Emita Las conclusiones para cada punto de Laboratorio en forma independiente. Realice una comparación entre la hoja simulada y el punto desarrollado en laboratorio. En base a la comparación emita una conclusión completa y enúncielo en su informe. Todo cuanto se haya realizado en laboratorio, debe ser detallado, explicado y presentado en el informe, adjunto con sus gráficas respectivas. Este informe será el vivo reflejo de lo que el alumno haya ejecutado como trabajo en laboratorio.
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