61819675 manual de prcticas de laboratorio electronica i udea 2011 2

Manual de prácticas de Laboratorio Electrónica I y Electrónica Análoga I Ingeniería Electrónica Universidad de Antioquia

2011-2

IEO. Diana María Gómez Jaramillo IEO. Frank Alexander Ruiz Holguín Estudiantes de Maestría en Ingeniería Docentes de Cátedra

Laboratorio de Electrónica I y Electrónica Análoga I. UdeA

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Manual de Prácticas de Laboratorio

Electrónica I y Electrónica Análoga I

Docentes: IEO. Diana María Gómez Jaramillo IEO. Frank Alexander Ruiz Holguín

Ingeniería Electrónica


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Tabla de contenido

Recomendaciones generales para el laboratorio ......................................................................................... 4

Al comenzar un laboratorio siempre se debe: .......................................................................................... 4

Durante el laboratorio se debe prestar atención a: ................................................................................. 4

Al finalizar el laboratorio se debe: ............................................................................................................ 4

Prácticas de laboratorio ................................................................................................................................ 5

PRÁCTICA No. 0 ......................................................................................................................................... 6

NETLIST EN SPICE ............................................................................................................................ 6

PRÁCTICA No. 1 ....................................................................................................................................... 13

AMPLIFICADOR OPERACIONAL ........................................................................................................... 13

PRÁCTICA No. 2 ....................................................................................................................................... 16

APLICACIONES DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES ............................................................... 16

PRÁCTICA No. 3 ....................................................................................................................................... 20

CONCEPTOS BÁSICOS DE DIODOS DE JUNTURA ................................................................................. 20

PRÁCTICA No. 4 ....................................................................................................................................... 24

OTROS TIPOS DE DIODOS Y APLICACIONES ........................................................................................ 24

PRÁCTICA No. 5 ....................................................................................................................................... 27

MONTAJES CON EL TRANSISTOR ......................................................................................................... 27

PRÁCTICA No. 6 ....................................................................................................................................... 32

AMPLIFICADORES DE UNA SOLA ETAPA: EMISOR, BASE Y COLECTOR COMÚN BJT Y SU RESPUESTA EN FRECUENCIA .................................................................................................................................. 32

PRÁCTICA No. 7 ....................................................................................................................................... 37

AMPLIFICADOR MOSFET ..................................................................................................................... 37

PRÁCTICA No. 8 ....................................................................................................................................... 40

CONTROL DE MOTOR DC .................................................................................................................... 40


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1 Recomendaciones generales para el laboratorio Al comenzar un laboratorio siempre se debe: 1. Verificar el buen funcionamiento de TODOS los equipos de laboratorio. 2. Revisar la continuidad de TODOS los cables y caimanes que se necesiten durante la práctica. 3. Adquirir todos los materiales necesarios para la práctica. 4. Tener conocimiento de las posibles causas de accidente y la respectiva acción en caso de

presentarse (Tomas eléctricos, equipos contra incendios, etc.) Durante el laboratorio se debe prestar atención a: 1. Tomar los datos y gráficas que se piden. 2. Preguntar TODO lo que no se comprenda. 3. Temperatura de los dispositivos en uso. 4. Alarmas de los equipos de laboratorio (Sobre corrientes, respuestas inadecuadas, etc.) 5. Escribir las conclusiones DURANTE y no después de los procedimientos.

Al finalizar el laboratorio se debe: 1. Tener por lo menos 4 conclusiones (No incluya muy, gran, pequeño, etc., sea objetivo.

Tampoco concluya cosas obvias, por ejemplo: La teoría se parece MUCHO a la práctica ) 2. Dejar todo como se encontró. 3. Entregar el informe respectivo. 4. Revisar que los equipos de laboratorio queden apagados. 5. Informar cualquier irregularidad. Para tener en cuenta Las prácticas se desarrollarán los días miércoles para el grupo 1 desde las 12:00 m hasta las 13:45, para el grupo 3, el horario es el siguiente: jueves desde 14:00 horas hasta las 16:00 horas. Se debe tener presente que la práctica dura una hora con cuarenta y cinco minutos, así que se deben llevar los circuitos montados en el board con el fin de agilizar su trabajo en el laboratorio y optimizar el tiempo invertido en el mismo. El alumno deberá verificar la existencia de los elementos a utilizar en los montajes con anterioridad, de modo tal que si no se encuentra algún elemento disponible en el laboratorio asumirá la responsabilidad de conseguirlo por cuenta propia.


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2 Prácticas de laboratorio


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PRÁCTICA No. 0

NETLIST EN SPICE LABORATORIO DE ELECTRONICA I

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA Sintaxis usada en Pspice para simular circuitos en modo texto A continuación se detalla de manera resumida la forma de editar circuitos en Pspice modo texto, se sugiere leer la siguiente sintaxis para realizar los ejercicios propuestos al final: TITLE STATEMENT ELEMENT STATEMENTS . COMMAND (CONTROL) STATEMENTS OUTPUT STATEMENTS .END <CR>

a. Independent DC Sources Voltage source: Vname N1 N2 Type Value Current source: Iname N1 N2 Type Value

The name of a voltage and current source must start with V and I, respectively. Examples: Vin 2 0 DC 10 Is 3 4 DC 1.5

b. Dependent Sources Voltage controlled voltage source: Ename N1 N2 NC1 NC2 Value Voltage controlled current source: Gname N1 N2 NC1 NC2 Value Current controlled voltage source: Hname N1 N2 Vcontrol Value Current controlled current source: Fname N1 N2 Vcontrol Value

c. Resistors Rname N1 N2 Value

d.Capacitors (C) and Inductors (L) Cname N1 N2 Value <IC> Lname N1 N2 Value <IC>

Cap5 3 4 35E-12 5 L12 7 3 6.25E-3 1m


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e. Mutual Inductors

Kname Inductor1 Inductor2 value_of_K

The value of K must be larger than 0 but smaller than 1.

L1 3 5 10M L2 4 7 3M K L1 L2 0.81

f. Ideal Transformer

K close to one (ex. K=0.99999)

g. Sinusoidal sources Vname N1 N2 SIN(VO VA FREQ TD THETA PHASE)

VO - offset voltage in volt. VA - amplitude in volt. f = FREQ - the frequency in herz. TD - delay in seconds THETA - damping factor per second Phase - phase in degrees

VG 1 2 SIN(5 10 50 0.2 0.1) VG2 3 4 SIN(0 10 50)

h. Piecewise linear source (PWL) Vname N1 N2 PWL(T1 V1 T2 V2 T3 V3 ...) in which (Ti Vi) specifies the value Vi of the source at time Ti Example: Vgpwl 1 2 PWL(0 0 10U 5 100U 5 110U 0)

i. Pulse Vname N1 N2 PULSE(V1 V2 TD Tr Tf PW Period) V1 - initial voltage; V2 - peak voltage; TD - initial delay time; Tr - rise time; Tf – fall time; pwf - pulse-wise; Period - period.


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j. Voltage-controlled Switches

Sname N1 N2 C1 C2 Mname

N1 and N2 are the terminals of the switch. C1 and C2 are the controlling terminals.

.MODEL Mname Dname(Pvalues)

Example: S15 3 5 8 9 SMOD .MODEL SMOD VSWITCH(RON = 10, VON = 0, ROFF = 100MEG)

k. Semiconductor Devices

Most of the elements that have been described above require only a few parameters to specify its electrical characteristics. However, the models for semiconductor devices require many parameter values. A set of device model parameters is defined in a separate .MODEL statement and assigned a unique name.

.MODEL MODName Type (parameter values)

MODName is the name of the model for the device. The Type refers to the type of device and can be any of the following: • D: Diode • NPN: npn bipolar transistor • PNP: pnp bipolar transistor • NMOS: nmos transistor • PMOS: pmos transistor • NJF: N-channel JFET model • PJF: P-channel JFET model

k1. Diode Element line: Dname N+ N- MODName Model statement: .MODEL MODName D (IS= N= Rs= CJO= Tt= BV= IBV=)

As an example, the model parameters for a 1N4148 commercial diode are as follows: .model D1N4148 D (IS=0.1PA, RS=16 CJO=2PF TT=12N BV=100 IBV=0.1PA) k2. Bipolar transistors Element line: Qname C B E BJT_modelName


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Model statement: .MODEL BJT_modName NPN (BF=val IS=val VAF=val)

As an example, the model parameters for the 2N2222A NPN transistor is given below: .model Q2N2222A NPN (IS=14.34F XTI=3 EG=1.11 VAF= 74.03 BF=255.9 NE=1.307 ISE=14.34F IKF=.2847 XTB=1.5 BR=6.092 NC=2 ISC=0 IKR=0 RC=1 CJC=7.306P MJC=.3416 VJC=.75 FC=.5 CJE=22.01P MJE=.377 VJE=.75 TR=46.91N TF=411.1P ITF=.6 VTF=1.7 XTF=3 RB=10)

k3. Mosfets Element: Mname ND NG NS &ltNB> ModName L= W= The MOS transistor name (Mname) has to start with a M; ND, NG, NS and NB are the node numbers of the Drain, Gate, Source and Bulk terminals, respectively. ModName is the name of the transistor model (see further). L and W is the length and width of the gate (in m). Model statement: .MODEL ModName NMOS (KP= VT0= lambda= gamma=) in which KP=uCox and VTO is the threshold voltage. The default values are KP=20uA/V2; and the rest is equal to 0. L. Operational Amplifiers An operational amplifier can be simulated in different ways. An option uses actual transistors to model the opamp. The device library contains nonlinear models of the most common op amps. The student version of PSpice has macromodels for the linear amplifiers LM324 and uA741 which are included in the EVAL.LIB file. SPICE code for the 741 opamp (ref: Macromodeling with Spice, by J.A. Connelly/P. Choi) * Subcircuit for 741 opamp .subckt opamp741 1 2 3 * +in (=1) -in (=2) out (=3) rin 1 2 2meg rout 6 3 75 e 4 0 1 2 100k rbw 4 5 0.5meg cbw 5 0 31.85nf eout 6 0 5 0 1 .ends opamp741 Using a subcircuit The element statement for a subcircuit is similar to any other element. The format is as follows: Xname N1 N2 N3 ... SUBNAME in which Xname refers to the element (subcircuit) being used; N1, N2, N3 are the nodes to which the external nodes of the subcircuit are being connected, and SUBNAME is the name of the subcircuit being used. An example of an inverting opamp circuit using the subcircuit of the the uA741 (see operational amplifiers above) is given below. The subcircuit is called x1.


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vs 1 0 dc 5 r1 1 2 200 rf 2 3 1k *X1 (nodo+) (nodo-) (nodo_V+) (nodo_V-) (nodo_out) (name) x1 0 2 3 UA741 .LIB EVAL.LIB .dc vs 0 10 1 .plot dc v(3) .end Type of Analysis .DC Statement This statement allows you to increment (sweep) an independent source over a certain range with a specified step. The format is as follows: .DC SRCname START STOP STEP in which SRC name is the name of the source you want to vary; START and STOP are the starting and ending value, respectively; and STEP is the size of the increment. Example: .DC V1 0 20 2

You can nest the DC sweep command which is often used to plot transistor characteristics, such as the Drain current ids versus the Drain-source voltage Vds for different gate voltages Vgs. This can be done as follows: .DC SRCname1 START STOP STEP SRCname2 START STOP STEP Example: .DC Vds 0 5 0.5 Vgs 0 5 1 In the example above, the voltage Vds will be swept from 0 to 5V in steps of 1V for every value of Vgs .TRAN Statement This statement specifies the time interval over which the transient analysis takes place, and the time increments. The format is as follows: .TRAN TSTEP TSTOP <TSTART <TMAX>> <UIC>

.AC Statement This statement is used to specify the frequency (AC) analysis. The format is as follows: .AC LIN NP FSTART FSTOP .AC DEC ND FSTART FSTOP .AC OCT NO FSTART FSTOP in which LIN stands for a linear frequency variation, DEC and OCT for a decade and octave variation respectively. NP stands for the number of points and ND and NO for the number of frequency points per decade and octave. FSTART and FSTOP are the start and stopping frequencies in Herz Example: .AC DEC 10 1000 1E6

.PARAM Statement Example 1: RL N1 N2 Rvar .PARAM Rvar=Value1 .STEP LIN PARAM RVAR Value1 Value2 STEP


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Example 2: R L N1 N2 Rvar .param Rvar=Value1 .step lin param Rvar list (Value1 value2 Value3)

Output Statements

.PRINT TYPE OV1 OV2 OV3 ...

.PLOT TYPE OV1 OV2 OV3 ... in which TYPE specifies the type of analysis to be printed or plotted and can be: • DC • TRAN • AC The output variables are OV1, OV2 and can be voltage or currents in voltage sources.Node voltages and device currents can be specified as magnitude (M), phase (P), real (R) or imaginary (I) parts by adding the suffix to V or I as follows: M: Magnitude DB: Magnitude in dB (deciBells) P: Phase R: Real part I: Imaginary part Examples: .PLOT DC V(1,2) V(3) I(Vmeas) .PRINT TRAN V(3,1) I(Vmeas) .PLOT AC VM(3,0) VDB(4,2) VM(2,1) VP(3,1) IR(V2)


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PROCEDIMIENTO

1. Simular un circuito RC Pasabajas. Realizar un análisis en Frecuencia para distintos valores de C con R=1k. Usar una fuente con las siguientes características

• VAC de 1Vp amplitud • Graficar el diagrama de bode de magnitud de la respuesta en frecuencia del

circuito y el voltaje sobre el capacitor.

Para el mismo circuito anterior, realizar una simulación en el tiempo y observar la carga y la descarga del capacitor simulando diferentes valores de C. Usar una fuente con las siguientes características:

• Fuente pulsada del 50% de DUTY amplitud de 5Vp y un offset de cero voltios.

Nota: Tener en cuenta que el tiempo de carga y descarga del Capacitor se obtiene en 5 constantes de tiempo T=R*C. Visualizar 3 periodos de la señal.

2. Simular un circuito rectificador de media onda usando un diodo semiconductor ideal

(VD=0), la señal de excitación es de tipo senoidal de amplitud 5Vp a una frecuencia de 60Hz y una resistencia de carga de 1k. Observar la salida del circuito. Repetir el procedimiento anterior para un diodo comercial D1N4002 (VD=0.7)

3. Simular un circuito divisor de voltaje con dos resistencias R1=10k y R2 VARIABLE. Usar una fuente DC de 10V. Realizar una parametrización de R2 para 5 valores distintos. Observar la salida de voltaje.

4. El siguiente circuito representa un Amplificador inversor con ganancia de 5. Parametrizar el valor de rf para obtener distintas ganancias de voltaje. vs 1 0 sin(0 100m 1k) v2 4 0 DC 12 v3 5 0 DC -12 r1 1 2 200 rf 2 3 1k x1 0 2 4 5 3 UA741 .LIB EVAL.LIB .tran 10u 3m 0.1n .probe .end


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PRÁCTICA No. 1

AMPLIFICADOR OPERACIONAL 1. OBJETIVO Se busca que el estudiante logre familiarizarse con las propiedades y aplicaciones básicas del amplificador operacional y adquiera destreza en montaje de circuitos. 2. PROCEDIMIENTO 2.1 Como preparación para esta práctica, se recomienda leer el capítulo 2 del libro Circuitos

Microelectrónicos1

, o cualquier otra fuente bibliográfica que explique el tema de Amplificadores operacionales.

2.2 Consulte la hoja de especificaciones del amplificador operacional LF353 e identifique los parámetros más importantes.

2.3 Calcule la ganancia de voltaje de los circuitos de la figura 1 entre los nodos D y B.

(Considere que al amplificador no entran corrientes y que el voltaje en el terminal inversor (-) del AO es el mismo que en el no inversor (+))

2.4 Simule los circuitos de la figura 1 en Pspice modo texto (Netlist) y grafique la señal de

entrada vs la señal de salida. Indique la Ganancia y compare con los resultados del numeral anterior. Polarice los AO con ±10V y use una señal de entrada DC de 10 V.

2.5 Simule en Pspice modo texto (Netlist), el circuito de la figura 2. Vi es una señal cuadrada

(50% duty cycle) de 6 Vpp y 500 Hz. Tome gráficas de las señales de entrada y de salida. (R1=10 kΩ, R2=10 kΩ, Rf=100 kΩ y C=0.1 uF, y voltajes de alimentación DC de ±10 V)

3. EXPERIMENTO

Todos los circuitos en esta práctica serán construidos utilizando amplificadores operacionales LF353 polarizados con +10 y -10V. 3.1 Circuitos inversor y no inversor. Construya los circuitos inversor y no inversor mostrados en la figura 12

1 Circuitos Microelectrónicos, A. S. Sedra y K. C. Smith, 5ª edición, Mc Graw Hill.

.

2 En ambos circuitos, el atenuador de entrada formado por Ra y Rb permite tener un voltaje pequeño en la entrada del inversor sin que el generador tenga que proporcionarlo directamente.


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Figura 2.Amplificador integrador.

3.1.1 Con voltajes en el nodo A de -10v, 0v y 10v DC, mida los voltajes en B, C y D, y llene la siguiente tabla:

Con los resultados obtenidos en la tabla 1, calcule la ganancia de voltaje entre los nodos D y B y verifique el resultado con la Ganancia obtenida en el numeral 2.3.


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3.1.2 Operación en AC y saturación de la salida. • Conecte el generador de señales al nodo A de ambos circuitos, con un voltaje sinusoidal

de 1KHz, inicialmente con 1Vpp de amplitud. • Observe simultáneamente en el osciloscopio los voltajes en los nodos B y D, verifique

nuevamente la ganancia de voltaje obtenida y compárela con los numerales anteriores. Escriba sus observaciones.

• Ahora aumente la amplitud del voltaje de entrada en el nodo A hasta cuando observe saturación del voltaje de salida en el nodo D. Identifique los límites del voltaje de salida en el nodo D.

3.2 Circuito integrador.

3.2.1 Construya el circuito integrador mostrado en la figura 2 con R1=10 kΩ, R2=10 kΩ,

Rf=100 kΩ y C=0.1 uF, y voltajes de alimentación DC de ±10 V. 3.2.2 Conecte una señal cuadrada (50% duty cycle) de 6 Vpp y 500 Hz. Tome gráficas de las

señales de entrada y la salida. Explicar la forma de onda a la salida y cómo esta confirma que efectivamente el circuito integra.

4. CONCLUSIONES


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PRÁCTICA No. 2

APLICACIONES DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

1. OBJETIVO Identificar la utilidad de los amplificadores operacionales en el diseño de aplicaciones electrónicas. 2. PROCEDIMIENTO 2.1 Consulte la hoja de especificaciones del amplificador operacional LM324 e identifique los

siguientes parámetros: voltajes máximos de polarización, voltaje offset de entrada, corriente offset de entrada, corriente de polarización de entrada, impedancia de entrada, ganancia de voltaje en lazo abierto, razón de rechazo en modo común y slew rate. También consulte las hojas de datos de los circuitos integrados LM3914 y LM3915.

2.2 Estudie el funcionamiento del circuito amplificador de instrumentación mostrado en la figura

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. Responda de qué modo el valor de la resistencia R1 determina la ganancia del amplificador.

2.3 Analice el funcionamiento del circuito mostrado en la figura 2. Considerando que el voltaje

VIN varía entre 0 y 6 V, explique cómo varían los voltajes de salida V1 a V8, en función de VIN.

3. SIMULACIÓN: 3.1 Simule en PSPICE el circuito amplificador de instrumentación mostrado en la figura 1.

Utilice para la simulación amplificadores operacionales LM324 polarizados con 9 y -9 V. Simule a la entrada del circuito para V1 = 100Sen(2*pi*5000*t) mV y V2 = 500Sen(2*pi*5000*t) mV. Obtenga gráficas de la ganancia de voltaje en modo diferencial.

3.2 Realice una parametrización de la resistencia R1 desde algún valor pequeño hasta 100KΩ y

observe la ganancia de voltaje del circuito V0 / (V2-V1). 3.3 Simule en PSPICE el circuito mostrado en la figura 2. Utilice para la simulación

amplificadores operacionales LM324 polarizados con 6V y 0V. Realice un barrido DC de VIN y observe los voltajes V1 a V8.

NOTA: Debido a limitaciones de la versión evaluación de SPICE no puede simularse todo el circuito (demasiados nodos); sino dispone de la versión profesional puede simular solo 3 de los amplificadores.

3 Circuitos Microelectrónicos Sedra/Smith. Cuarta edición, cap.2, pág. 89.


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4. EXPERIMENTO

4.1 El amplificador de instrumentación. Construya el circuito amplificador de instrumentación mostrado en la figura 1, utilizando amplificadores operacionales LM324 polarizados con 9 y -9V.

Figura 1. El amplificador de instrumentación.

Utilice en lugar del resistor R1, un potenciómetro de 100K Ω. Con ayuda de los instrumentos del laboratorio verifique el funcionamiento del amplificador. Explique a continuación la verificación realizada. 4.2 El amplificador operacional como comparador de voltajes. Construya el circuito mostrado en la figura 2, utilizando amplificadores operacionales LM324 polarizados con 6V y 0V (fuente fija). Conecte entre cada nodo de salida (V1 a V8) y tierra, un resistor de 330Ω y un diodo emisor de luz (LED), este arreglo le ayudará a observar claramente el funcionamiento del circuito. Varíe el voltaje de VIN entre 0 y 6V (fuente variable) y observe los voltajes de salida V1 a V8, observe también el estado de los LEDs. Escriba sus observaciones y conclusiones sobre el montaje de esta aplicación.


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Figura 2: Aplicación basada en AO como comparadores de voltaje.

4.3 Considerando el diagrama de bloques mostrado en la figura 3 y los circuitos ya implementados en esta práctica, diseñe una aplicación en la que una variable física (temperatura) sea sensada y convertida a voltaje por un transductor, luego ese voltaje sea amplificado y finalmente se indique mediante un arreglo de LEDs, el nivel de la variable física.

Figura 3. Diagrama de bloques de una aplicación con amplificadores operacionales.


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• Como transductor puede utilizarse el CI LM35, consulte su hoja de

especificaciones. • La ganancia del amplificador de voltaje debe ser variable, con el fin de

asegurarse que a temperatura ambiente (25°C) sólo encienda el LED 8. 5. CONCLUSIONES


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PRÁCTICA No. 3

CONCEPTOS BÁSICOS DE DIODOS DE JUNTURA 1. OBJETIVO Identificar el diodo como un dispositivo electrónico práctico, mediante los siguientes pasos: la identificación de los principales parámetros de un diodo en su hoja de especificaciones y en su modelo de simulación, la verificación del funcionamiento del diodo mediante la simulación de circuitos sencillos y una experimentación sencilla que permita comprobar los conceptos teóricos básicos y los resultados de simulación obtenidos acerca del diodo. 2. PROCEDIMIENTO 2.1 Estudie las hojas de especificaciones de la familia de diodos rectificadores 1N400X (1N4001

a 1N4007), verifique las especificaciones más importantes de estos. Establezca, según las especificaciones, las principales diferencias entre los diodos de esta familia, escriba sus observaciones al respecto. En su preinforme anexe una tabla donde compare las características más importantes de dichos diodos (voltaje de conducción, de ruptura inversa, máxima corriente, tiempo de recuperación, etc)

2.2 Cuáles son los parámetros más importantes del modelo del diodo en SPICE? Verifique el

modelo del diodo 1N4002 en la librería eval.lib y consulte que significan cada uno de estos. 2.3 Simule en PSPICE el circuito mostrado en la figura 1 utilizando para ello el diodo 1N4002.

Realice un barrido DC del voltaje de entrada y obtenga la curva característica del diodo, ID vs VD. Marque sus puntos más importantes, anexe sus observaciones y conclusiones. R=1kΩ.

Figura 1. Circuito básico para caracterizar un diodo.


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Figura 2. Circuito rectificador de voltaje de media onda.

Figura 3. Circuito rectificador de voltaje de onda completa.

Figura 4. Circuito rectificador de voltaje de onda completa con puente de diodos.


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2.4 Simule en PSPICE modo texto, los circuitos rectificadores de las figuras 2, 3 y 4. En cada caso, considere que el voltaje en el primario del transformador es sinusoidal de 120V RMS y 60Hz, el voltaje de salida en el secundario debe ser 12V RMS, los diodos son todos 1N4002 y el resistor de carga es de 100KΩ. Obtenga gráficos del voltaje del secundario del transformador, el voltaje en el resistor de carga, los voltajes pico, DC y RMS de salida en cada rectificador. Considere diodos modelados por una caída de voltaje constante de 0.7V en polarización directa y lleve los resultados a la tabla1.

Simulación V0P (voltaje pico) V0 DC (voltaje promedio AVG) V0 RMS (voltaje eficaz) Rectificador de media onda (figura2)

Rectificador de onda completa (figura 3)


Tabla 1. Valores simulados de voltajes Pico, DC y RMS de salida en circuitos rectificadores.

3. EXPERIMENTO 3.1 Construya el circuito de la figura 1 utilizando un diodo 1N4004, un resistor de 1KΩ, y

un voltaje de alimentación sinusoidal de amplitud 10V y frecuencia 60Hz. 3.2 La curva característica del diodo puede ser obtenida utilizando un osciloscopio en

modo de visualización X – Y. Coloque el osciloscopio en modo X – Y, lleve al eje Y (vertical) el voltaje en el resistor (cátodo del diodo) y al eje X (horizontal) el voltaje en el ánodo del diodo, ajuste las escalas de los ejes adecuadamente para visualizar en la pantalla el gráfico. Explique claramente cómo el voltaje en el resistor puede usarse para representar la corriente en el diodo. Escriba sus observaciones.

Nota importante: Las dos puntas del osciloscopio comparten la misma tierra, por lo tanto cuando haga mediciones con las dos puntas sus tierras deben conectarse al mismo nodo del circuito, de lo contrario puede generar cortocircuitos. Consulte con su profesor antes de realizar la conexión. 3.3 Implementación de circuitos rectificadores de voltaje con diodos. Construya cada

uno de los circuitos rectificadores de las figuras 2, 3 y 4. Utilice el transformador de


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referencia 509 y alimente el primario con 120V RMS y 60Hz, tome la salida del secundario de 12V RMS; utilice diodos 1N4004 y un resistor de carga de 100KΩ. Para cada circuito, verifique en el osciloscopio la forma de onda del voltaje en el secundario del transformador, del voltaje de salida (en el resistor de carga) y del voltaje en un diodo. Escriba sus observaciones. Para cada circuito determine a la salida, utilizando el osciloscopio, el voltaje pico del secundario, los voltajes pico, DC, y RMS. Lleve sus medidas a la tabla 2. Utilice las expresiones de la tabla 1 para verificar los voltajes determinados en el osciloscopio. Escriba sus observaciones al respecto.

Experimentación V0P (voltaje pico) V0 DC (voltaje promedio AVG) V0 RMS (voltaje eficaz) Rectificador de media onda (figura2)



Tabla 2. Medidas de voltaje en circuitos rectificadores.

4. CONCLUSIONES


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PRÁCTICA No. 4

OTROS TIPOS DE DIODOS Y APLICACIONES 1. OBJETIVO

En esta práctica se busca que el estudiante identifique aplicaciones con diferentes tipos de diodos, después de haber conocido la teoría general de estos dispositivos y estudiado algunas de las posibles aplicaciones. 2. PROCEDIMIENTO Analice las cuatro aplicaciones mostradas a continuación, explique claramente el funcionamiento de cada una. Diseñe cada una de las cuatro aplicaciones, definiendo usted mismo, las entradas a los circuitos (señales y polarizaciones) y los componentes necesarios. En algunos casos, usted debe diseñar circuitos que cumplan con ciertas condiciones especificadas. Luego, construya las cuatro aplicaciones diseñadas y verifique su funcionamiento en el laboratorio. 2.1 Circuito con diodo LED. Para el siguiente circuito, determine el valor de la resistencia Rs

para una corriente normal de operación del diodo de 15mA

2.1.1 Polarice el diodo LED en directa y en inversa, describa lo que observa en ambos casos. Mida el voltaje que cae en sus terminales. Cambie la resistencia Rs por una de un valor mayor, escriba lo que ocurre y explique el porqué de la situación observada. Intercambie de posición el diodo LED y la resistencia, conecte el osciloscopio a la salida del diodo, la fuente de señal Vs será de tipo Sinusoidal, con frecuencia de 1KHz y 5Vpp. Describa sus observaciones al respecto. Capture gráficas. Repita el procedimiento anterior para un LED de diferente color. Qué diferencias encuentra? A qué se debe esto?.


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2.2 Fuente de voltaje DC regulada ajustable. Su diseño debe garantizar que la fuente entregue

hasta 18V DC y una corriente no menor de 1A.

Anexe su diseño al informe. 2.3 Regulador de voltaje DC con diodo Zener. Utilice el generador de señales para alimentar

el circuito como se especifica a continuación. Se debe alimentar una carga con un voltaje de alrededor de 5V DC y una corriente de hasta 0.2A. Tenga especial cuidado con la potencia disipada en el diodo y la resistencia.

Anexe su diseño al informe. 2.3.1 Compruebe con el osciloscopio la rectificación de onda completa entre la tierra y la salida

del puente rectificador (nodos a y b), para esto se debe quitar el condensador. Capture gráficas. Coloque ahora el condensador y mida la salida del mismo colocando el osciloscopio entre la tierra y la salida del condensador (nodos b y c), observe el efecto producido por el condensador en la señal. Capture gráficas.


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Mida ahora sobre la resistencia RL a la salida del diodo zener (nodos b y d) y observe el rizado de la señal. Anote las observaciones al respecto. Capture gráficas.

2.4 Contador de eventos basado en fotodiodo. El circuito debe contar un evento cada vez que

la luz emitida y recibida por el fotodiodo sea interrumpida. Usted debe implementar y explicar claramente los cuatro bloques indicados en la figura.

Anexe su diseño al informe.

3. Simule los circuitos de los numerales 2.1 y 2.3, y compare con los resultados

obtenidos en el laboratorio. 4. CONCLUSIONES


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PRÁCTICA No. 5

MONTAJES CON EL TRANSISTOR 1. OBJETIVOS

• Identificar los distintos modos de operación de un transistor BJT, tanto de uno tipo NPN como un PNP.

• Conocer algunas aplicaciones del transistor bipolar operando en región activa, corte y saturación.

• Verificar el funcionamiento y posibles aplicaciones de un Relé. 2. PROCEDIMIENTO

• Estudie las hojas de especificaciones de los transistores 2N2222 y 2N3906, verifique las especificaciones más importantes de estos, establezca, según las especificaciones, las principales diferencias. Escriba sus observaciones al respecto.

• Consulte que es un relé, cuál es su principio de funcionamiento, aplicaciones y

recomendaciones de uso. ¿Qué precauciones deben tenerse en cuenta para conmutar cargas inductivas?

3. SIMULACIÓN

3.1 Utilice los esquemas de la figura 1 para obtener las curvas características del transistor (IC vs

VCE), identifique en dichas curvas cada una de las regiones del transistor (Activa, Saturación y Corte). En el circuito 1, realice barridos del voltaje VCC entre 0 y 20 V, para valores de VBB

de 0, 1, 2, 3, 4 y 5 V. En el circuito 2, realice barridos del voltaje VCC entre 0 y -20V, para valores de VBB de 0, -1, -2, -3, -4 y -5 V.

Figura 1


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3.2 Realice la simulación del circuito de la figura 2 y obtenga las corrientes en todas las ramas y

los voltajes en todos los nodos (circuito de polarización del transistor, análisis en DC, .OP).

Figura 2

3.3 Llene la Tabla 1 de acuerdo a los valores de voltaje simulados:

Tabla 1.

VB VC VE Modo de operación

3.4 Realice la simulación de la figura 3 y obtenga las gráficas de las señales de entrada Vi e Ii y las señales de salida Vo e Io. Indique la ganancia de voltaje y corriente del circuito. Conecte como resistencia de carga una RL=1KΩ. Parametrice el valor de R7.


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Figura 3

4. EXPERIMENTO 4.1 Monte el circuito de la figura 2 y mueva R7 hasta obtener un VCE = 6V. Mida los voltajes de

base, colector y emisor del transistor y realice un cuadro indicando dichos voltajes y la zona de operación del transistor. Compare los datos obtenidos con la simulación respectiva.

4.2 Monte el circuito de la figura 3, aplique a la entrada una señal sinusoidal de 150mVpp (en

caso de no ser posible esta amplitud, ajuste el generador a la señal más pequeña que éste le proporcione) a una frecuencia de 1 kHz. Mida y observe en el osciloscopio las gráficas de Vi y Vo. Describa la relación de fase entre ambas ondas. Conecte como resistencia de carga una RL=1KΩ.

4.3 Construya las siguientes aplicaciones y verifique su funcionamiento en el laboratorio.


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Figura 4

4.3.1 Para el circuito de la figura 4, mida el voltaje en todos los nodos y calcule la corriente en

todas las ramas. Realice este procedimiento para los dos estados del interruptor, determine el modo de operación del transistor.

Escriba a continuación sus observaciones sobre el funcionamiento del circuito e indique sus posibles usos.

4.3.2 Calcule el siguiente circuito de forma que el transistor opere en la región de saturación,

asuma que el relé tiene una resistencia interna de 50 Ohm y que el voltaje de entrada es de 0 ó 5V. Realice el montaje y observe el funcionamiento.


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Figura 5

Escriba a continuación sus observaciones sobre el funcionamiento del circuito e indique sus posibles usos. ¿Cuál es la utilidad del diodo D1? 5. CONCLUSIONES.


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PRÁCTICA No. 6

AMPLIFICADORES DE UNA SOLA ETAPA: EMISOR, BASE Y COLECTOR COMÚN BJT Y SU RESPUESTA EN FRECUENCIA

1. OBJETIVOS

• Comprobar el funcionamiento del transistor como amplificador de pequeña señal. • Realizar un análisis en el dominio de la frecuencia de amplificadores mono etapa con

transistores BJT.

2. PREPARACIÓN

• Estudie el funcionamiento del transistor como amplificador lineal, para lo cual revise los conceptos de operación en región activa y respuesta en frecuencia. También es necesario estudiar la hoja de datos del transistor 2N3904. Escriba sus observaciones al respecto.

• Estudie los conceptos de frecuencia de corte y ancho de banda de un amplificador. Escriba sus observaciones al respecto.

3. SIMULACIÓN Simule en PSPICE modo texto (Netlist), los circuitos de las figuras 1, 2 y 3. Realice un análisis en DC para verificar el modo de operación de los transistores (.OP), un análisis en el tiempo (.TRAN) para verificar ganancias de voltaje y corriente y un análisis en la frecuencia (.AC) para observar el comportamiento de los circuitos en ese dominio.

Llene las tablas indicadas para cada circuito.

Figura 1. Emisor Común.


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El amplificador de emisor común (EC) puede diseñarse para obtener ganancias considerables de voltaje y corriente, tiene una resistencia de entrada de valor moderado y tiene una elevada resistencia de salida (una desventaja).

Con: C1=22u, C2=22u, Ce=47u

Polarización del transistor Variando RL VB VC VE Modo de

operación

Variando Ce Variando C1 Variando C2

Figura 2. Base Común.

RL fL fH Av Bw 500 1k 10k

Ce fL fH Av Bw 10u 22u 47u

C1 fL fH Av Bw 10u 22u 47u



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El amplificador base común (BC), tiene una muy baja resistencia de entrada, una ganancia de corriente de casi la unidad, una resistencia de salida que está determinada por RC y una ganancia de voltaje que depende críticamente de Rs. Debido a su muy baja resistencia de entrada, el circuito BC no es atractivo como amplificador de voltaje, su aplicación más común es como amplificador de corriente de ganancia unitaria. Despreciando a ro y con RL=220 ohm, se tendría a la salida del amplificador una Ro pequeña, lo cual produciría que circulara por la carga una corriente de alrededor 0.9Is y una pequeña amplificación de voltaje. Del análisis en frecuencia, se puede ver que fH es muy grande (aprox. 100 Mhz) lo cual, para fines prácticos del laboratorio, no sería posible medir dicha frecuencia debido a limitaciones de los equipos, por lo tanto, aumentaremos a conveniencia la ganancia de voltaje, para lo cual usaremos una RL=10K ohm.

Con: C1=22u, C2=22u


operación

Variando C1 , con C2=22u Variando C2, con C1=22u C1 fL fH Av Bw 10u 22u 47u

RL fL fH Av Bw 220 10K 100k



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Figura 3. Colector Común.

El amplificador Colector Común (CC), o seguidor de emisor, muestra una elevada resistencia de entrada, una baja resistencia de salida, una ganancia de voltaje que es menor a la unidad, pero cercana a ella y una ganancia de corriente relativamente alta.

Con: C1=22u, C2=22u Polarización del transistor Variando RL VB VC VE Modo de

operación

Variando C1, con C2=22u Variando C2, con C1=22u C1 fL fH Av Bw 10u 22u 47u

fL RL fH Av Bw 10 50 1k



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4. EXPERIMENTO 4.1 Construya el circuito de las figuras 1 utilizando transistores 2N3904. Alimente los circuitos

con una señal sinusoidal de amplitud 100 mVp a una frecuencia de 1kHz. 4.2 Aumente la frecuencia de la señal de entrada Vs hasta que la señal de salida, después de

haber sido máxima, haya caído un 30% y encuentre la frecuencia de corte superior (a -3dB). 4.3 Disminuya la frecuencia de la señal de entrada Vs hasta que la señal de salida, después de

haber sido máxima, haya caído un 30% y encuentre la frecuencia de corte inferior (a -3dB). 4.4 Determine el ancho de banda del amplificador Emisor Común 4.5 Llene las siguientes tablas:

Con: C1=22u, C2=22u, Ce=47u EMISOR COMÚN


operación

Variando Ce Variando C1 Variando C2

5. CONCLUSIONES

Realice comparaciones entre lo medido y lo simulado y saque las conclusiones más relevantes de la práctica, tanto para amplificadores EC, como para BC y EC. Determine la función de los capacitores de acople, de derivación y la Resistencia de carga en la respuesta de los amplificadores en el dominio de la frecuencia

RL fL fH Av Bw 500 1k 10k

Ce fL fH Av Bw 10u 22u 47u




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PRÁCTICA No. 7

AMPLIFICADOR MOSFET 1. OBJETIVOS

• Medir los voltajes de operación de cd de un amplificador de voltaje con MOSFET. • Verificar el funcionamiento de un amplificador de voltaje con MOSFET y determinar su

ganancia de voltaje. 2. PROCEDIMIENTO

2.1 Estudie el datasheet del transistor IRF510 y del IRF840. Consulte sus principales características y establezca algunas diferencias entre ellos.

2.2 Consulte la estructura física y modos de operación del MOSFET. Comente las principales características encontradas.4

2.3 Consulte los parámetros del MOSFET en PSpice.

3. SIMULACIÓN

3.1 Simule el siguiente código. Capture las graficas de los voltajes y la corriente de polarización del transistor. (VGS, VDS, ID). Lleve los datos obtenidos en la simulación a la tabla1. Amplificador MOSFET polarización R1 3 4 10meg RD 6 4 6k R2 3 0 10meg *Mname ND NG NS NB ModName L= W= Mmitransistor 6 3 5 5 IRF510 L=100u W=100u .model IRF510 NMOS(KP=2.4845 VTO=3.8270) RS 5 0 6k Vdd 4 0 DC 10 .tran 10n 5m 0.1n 1u .probe .end

4 SEDRA/SMITH. CIRCUITOS MICROELECTRÓNICOS 4ed. Capítulo 5. Pág. 354-360.


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3.2 Simule en PSpice modo texto, el circuito de la figura1 y obtenga gráficas de la salida con respecto a la entrada, indique la ganancia. Utilice el mismo modelo del transistor simulado en el numeral 3.1 para simular el circuito de la figura 1.

4. EXPERIMENTO

4.1 Monte el circuito que representa el anterior código y mida con el multímetro los voltajes y la corriente de polarización del transistor. (VGS, VDS, ID). Lleve sus mediciones a la tabla1.

NOTA 1: El punto de operación del transistor depende de sus características físicas (W, L). Para obtener una mayor aproximación entre la simulación y las mediciones en el laboratorio, es necesario consultar el manual técnico del MOSFET usado y encontrar el valor de esos parámetros. En caso de no hallarlos, se podrá variar experimentalmente los valores de L y W a valores que hagan coincidir los voltajes y las corrientes de polarización del transistor.

VGS VDS ID Teórico (Pspice) Medida Multímetro Modo Operación

Tabla 1.

4.2 Ajuste el generador de señales para una salida de onda senoidal a una frecuencia de 1kHz y una amplitud de 200 mVpp. Conéctelo a la entrada del amplificador MOSFET como lo indica el siguiente circuito, conecte también los resistores y capacitores que allí aparecen:

Figura 1.


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4.3 Mida la señal de salida del amplificador con ayuda del osciloscopio y compárela con la

simulación del circuito anterior. Capture gráficas y llene la tabla 2: Vop Vip Vop / Vip Simulación Medida Osciloscopio

Tabla 2.

4.4 Parametrice el valor de la resistencia de carga RL, Obtenga gráficas para los distintos valores de la señal de entrada contra la señal de salida (Ganancia).

5. CONCLUSIONES.


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PRÁCTICA No. 8

CONTROL DE MOTOR DC 1. OBJETIVO Controlar un motor DC usando dispositivos electrónicos semiconductores o circuitos integrados digitales (transistores, compuertas lógicas, microcontroladores, entre otros). . 2. PROCEDIMIENTO 2.1 Estudie las hojas de especificaciones de los siguientes dispositivos: transistores TIP122 y

TIP127 y circuito integrado L293D. Verifique las especificaciones más importantes de estos, escriba sus observaciones al respecto.

2.2 Con el fin de desarrollar la práctica es necesario que consulte y lea muy bien sobre los

siguientes tópicos: • Puente H: funcionamiento e implementación. • Motores DC: funcionamiento y control de velocidad.

2.3 Se desea desarrollar un sistema electrónico compuesto por un actuador (motor DC) y tres

sensores infrarrojos, los cuales pueden tener como receptor el circuito desarrollado en prácticas anteriores (contador de eventos). Este sistema en su funcionalidad debe cumplir las siguientes condiciones:

2.3.1 Cuando la señal del primer sensor sea interrumpida, el motor DC debe permanecer

encendido, una nueva interrupción a este mismo sensor, apagará el motor (sensor on/off). Se recomienda usar flip-flops para retener el pulso.

2.3.2 Cuando la señal del segundo sensor sea interrumpida, el motor DC debe invertir el

sentido de giro y permanecer girando en esa misma dirección hasta que otra interrupción al mismo sensor lo haga cambiar de dirección.

2.3.3 Cuando la señal del tercer sensor sea interrumpida, el motor DC debe aumentar su

velocidad.

NOTA 1: La distancia mínima para establecer comunicación entre los sensores IR es de 1m. (Construya el sistema transmisor en un board diferente al sistema receptor). NOTA 2: El puente H puede construirse con el circuito integrado consultado o usando transistores BJT.


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3. EXPERIMENTO Luego de construir la aplicación diseñada, verifique su funcionamiento en el laboratorio. Escriba a continuación sus observaciones sobre el funcionamiento del circuito. 4. CONCLUSIONES

61819675 manual de prcticas de laboratorio electronica i udea 2011 2

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