diodos semiconductores

Laboratorio de Caracterizacin de Dispositivos Electrnicos

INGENIERA DE TELECOMUNICACIN

Departamento de Electrnica Universidad de Alcal

PRCTICA 3

Caracterizacin de componentes activos DIODOS SEMICONDUCTORES

Curso 2009-2010

PRCTICA 3: Caracterizacin de componentes activos. Diodos semiconductores.

1. Objetivos Mediante el desarrollo de esta prctica se pretenden lograr los siguientes objetivos:

Identificacin de los diferentes tipos de diodos semiconductores. Interpretacin del cdigo marcado por el fabricante sobre el cuerpo. Extraccin y verificacin de las caractersticas tcnicas de los diodos. Simulacin y realizacin prctica de circuitos electrnicos basados en diodos.

Para ello, se va a dividir el desarrollo de la prctica en las siguientes fases:

Identificacin e interpretacin de los diodos semiconductores. Obtencin de las caractersticas tcnicas. Montajes de aplicacin.

Al finalizar la prctica, el alumno deber entregar como memoria los resultados obtenidos, para lo que se proporcionan unas tablas o figuras para cada apartado. Debern incluirse tambin las simulaciones resueltas, as como un apartado final de conclusiones, donde se comentarn los aspectos que el alumno considere ms significativos del desarrollo de la prctica. 2. Conocimientos previos necesarios Para la realizacin de esta prctica es conveniente repasar los contenidos tericos desarrollados en el captulo correspondiente a Diodos Semiconductores de la asignatura de Dispositivos Electrnicos. Algunos conocimientos de inters que conviene recordar son:

Estructura y simbologa Curva caracterstica I-V de un diodo (idealizaciones)

o Valores lmites o Tensin umbral o Tensin Zner o Intensidad inversa de saturacin o Resistencia esttica y dinmica o Circuitos equivalentes en cada tramo

Polarizacin o Directa o Inversa

Clculo del punto de trabajo Comportamiento de un diodo en rgimen dinmico (conmutacin)

o Tiempos de conmutacin o Capacidades en la unin o Modelo equivalente

Tipos y aplicaciones de los diodos

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3. Identificacin 3.1. Estructura y simbologa Un diodo semiconductor de estado slido es un componente electrnico fabricado a partir de un material base semiconductor sobre el que se difunde una unin P-N. El terminal correspondiente a la zona P se denomina nodo (A) y el correspondiente a la zona N, ctodo (K). En la figura 1 queda reflejada la constitucin de una unin P-N, el smbolo genrico utilizado para representar un diodo, as como la caracterstica I-V del mismo. De manera terica, con algunas idealizaciones y aproximaciones, puede obtenerse que: I = IS(eqV/KT -1) Con:

I y V: intensidad y tensin por el diodo en sentido nodo-ctodo. IS: intensidad inversa de saturacin. KT/q = 0,026(T/300) Volts.: potencial trmico (T viene dado en K).

P N

K

Ctodonodo

I

I

VSiGe

VRM

IFM

VIS V

Figura 1. Estructura y simbologa 3.2. Codificacin En la codificacin de diodos se distinguen tres cdigos fundamentales, que son:

Europeo (PROELECTRN) Americano (JEDEC) Japons (JIS)

Habitualmente se utiliza la codificacin europea o americana.



Cdigo europeo (PROELECTRN)

Dispone de dos o tres letras seguidas de un nmero (que tambin puede tener alguna letra intermedia). La primera letra indica el material utilizado (A Germanio, B Silicio). Las otras letras son relativas a la aplicacin. (vase anexo-hojas caractersticas).

Cdigo americano (JEDEC)

El cdigo americano empieza con 1N (una unin) seguido de un nmero sin ninguna significacin especial que no sea de identificacin en catlogo.

Evidentemente estas distintas codificaciones dan lugar a que diodos con cdigos diferentes puedan ser equivalentes (caractersticas similares). 3.3. Tablas de identificacin Con ayuda de la plantilla de diodos, de los catlogos y de las hojas caractersticas compltese la tabla de resultados (T1).

TABLA T1- Identificacin de diodos.

CDIGO 1N4007 OA90 1N4747 1N4148 BZX55C5V1

TIPO (Ge/Si )

FABRICANTE

IF ( mA )

VRM ( v )

P ( mW )

Tjmax (C)

IZ max ( mA )

VZ ( v )

T (%)

Cp ( pF)

CPSULA

APLICACIONES



4. Obtencin de caractersticas Una vez realizada la identificacin de algunos diodos se procede en este apartado a obtener la caracterstica I-V y los tiempos de conmutacin de alguno de ellos. Para ello es necesario utilizar:

Pspice Trazador de curvas Osciloscopio

4.1. Curvas caractersticas I-V En este apartado se pretenden obtener las curvas caractersticas de diversos diodos, tanto en simulacin (Pspice), como de forma prctica (trazador de curvas). 4.1.1. Simulacin Mediante el Pspice obtngase la curva caracterstica I-V de los siguientes diodos:

1N4002 1N4148 1N750

Para obtener la curva caracterstica I-V en simulacin es necesario realizar un DC sweep del generador de tensin V1. 1. Introduccin del esquemtico:

V10Vdc D1

D1N4148

0

R1

1k

R1

1k

0

D2

D1N750

V10Vdc

1N4148 1N750

2. Configuracin parmetros de simulacin (DC sweep):

Ajuste de los parmetros de barrido a las caractersticas de los diodos 1N4002, 1N4148: Barrido entre -2 y +2 volts. 1N750: Barrido entre -10 y +2 volts.

Incremento: 0.01 volts



4.1.2. Trazador de curvas Utilizando el trazador de curvas, obtngase la curva caracterstica I-V de los siguientes diodos:

1N4007 1N4148

Apartado de refuerzo y ampliacin. (opcional)

Obtener la caracterstica I-V del diodo BZX55C5V1 utilizando el trazador de curvas. Estimar el valor de su tensin zner.

4.2. Tiempos de conmutacin En este apartado se pretenden obtener los tiempos de conmutacin de un diodo, tanto en simulacin (Pspice), como de forma prctica (osciloscopio). La figura 2 muestra el montaje a realizar.

V

Generador de

funcionesVD

R=1K

t

tfr ts tt

trr = ts + tt tiempo recuperacin inversotfr tiempo recuperacin directo

DiodoVE

VE

VE canal 1 del osciloscopioVD canal 2 del osciloscopio

VD

Figura 2. Tiempos de conmutacin

Para visualizar los tiempos de conmutacin es necesario seleccionar una seal de entrada con una frecuencia tal que permita visualizarlos correctamente. La figura 3 muestra la seal de



entrada propuesta. En el caso de una visualizacin defectuosa de los mismos modifquese la frecuencia de dicha seal hasta una correcta visualizacin.

VE(t)

5v

-5v

T=10us

t

Figura 3. Seal de entrada para visualizar los tiempos de conmutacin.

4.2.1. Tiempos de conmutacin en simulacin Mediante el Pspice, obtnganse los tiempos de conmutacin del diodo 1N4002. Para obtener los tiempos de conmutacin en simulacin es necesario realizar un estudio de respuesta en el tiempo introduciendo una seal cuadrada. 1. Introduccin del esquemtico:

2. Configuracin parmetros de simulacin:

Visualizar 2 periodos completos de la seal de entrada

V2

TD = 0 TF = 0 PW = 5u PER = 10u

V1 = -5

TR = 0 V2 = 5

R1

1KD3

D1N4002

0



5V

Para poder visualizar con mayor precisin los tiempos de conmutacin es necesario ampliar las zonas de visualizacin (zoom).

Ampliacin Tfr Ampliacin Trr

4.2.2. Tiempos de conmutacin de forma prctica (osciloscopio) Utilizando el osciloscopio obtngase los tiempos de conmutacin del diodo 1N4007 (visualizando la tensin de entrada y la que cae en el diodo) segn el montaje de la figura 2 y la seal de entrada de la figura 3. En el caso de una visualizacin no correcta, ajstese la frecuencia de la seal de entrada para una correcta visualizacin de los mismos.

Time 5.00us 6.00us 7.00us 7.63us

-4.00V

-2.00V

0V

-5.56V

Time

0s 5us 10us 15us 20us

0V

-5V

-10V

Time 0s 20ns 40ns 60ns 80ns 100ns 120ns

0.50V

0.00V

-0.50V

-1.00V

-1.50V

-2.00V



VE(t)

5v

-5v

t

VD(t)

VE(t)

t


Repita el montaje con el diodo 1N4148. Compare los resultados con los obtenidos con el 1N4002.

5. Simulacin y montaje de circuitos propuestos

5.1. Rectificador simple (media onda) Obtngase la seal de salida de un rectificador de media onda (figura 4):

mediante clculos tericos simulacin montaje prctico

En el montaje prctico conecte el osciloscopio visualizando VE(t) en el canal 1 y VS(t) en el canal

2 y represntese en la figura 4 la seal de salida obtenida.



VS (t)R=1K

1N4007

VE(t)

5v

-5v

VE(t)

VS (t)

T=1ms

t

t

Figura 4. Montaje para rectificacin en media onda.

Apartado de refuerzo y ampliacin. (opcional) Obtngase la seal de salida de un rectificador de media onda, como el de la figura 4,

aadindole un condensador en paralelo a la resistencia de carga:

Simulacin. Represente VE(t), VS(t), VD(t), ID(t). Montaje prctico. Represente VE(t) y VS(t) simultneamente en el osciloscopio.

Ver la influencia del valor de la capacidad en el resultado considerando dos posibles valores

para el condensador, 100 nF y 10 F. Justifique los resultados tericamente.



5.2. Rectificador doble onda (onda completa)

Obtngase la seal de salida de un rectificador de doble onda (figura 5).


Nota: Cuidado con las masas de los canales del osciloscopio en el montaje prctico.

VS (t)R=1K

VE(t)

5v

-5v

VE(t)

VS (t)

T=1ms

t

t

Puente Diodos: 4 x 1N4007 o C1500 (FAGOR)

Figura 5. Montaje para rectificador de doble onda.

Apartado de refuerzo y ampliacin. (opcional) Obtngase la seal de salida de un rectificador de media onda, como el de la figura 5,

aadindole un condensador en paralelo a la resistencia de carga:

Simulacin. Represente VE(t), VS(t), VD(t), ID(t). Montaje prctico. Represente VE(t) y mida el rizado de la seal obtenida.

Ver la influencia del valor de la capacidad en el resultado considerando dos posibles valores

para el condensador, 1 F y 10 F. Justifique los resultados tericamente.



5.3. Estabilizador de tensin.

Obtngase la funcin de transferencia Vs=f(Ve) del circuito estabilizador de tensin mostrado

en la figura 6:


En simulacin debe seleccionarse como eje X la seal Ve y como eje Y la seal Vs. En el montaje prctico:

o Ve(t) al Canal 1 del osciloscopio o Vs(t) al Canal 2 del osciloscopio o El selector de escala de tiempos del osciloscopio en la posicin final X-Y o Dibjese sobre la grfica de la figura 6 la seal de salida obtenida.

VS (t)R=1K

1N750

VE(t)

10v

-10v

VE(t)

VS (t)

T=1ms

t

t VS (t)

VE (t)

Figura 6. Circuito para estabilizacin de tensin con diodo Zner.


Simulacin: introduzca una seal de offset = 7 V y tensin pico a pico 100mV. Represente VE y VS y comente los resultados.



5.4. Circuito recortador

Obtngase la funcin de transferencia Vs=f(Ve) del circuito recortador mostrado en la figura 7:


En simulacin debe seleccionarse como eje X la seal Ve y como eje Y la seal Vs. En el montaje prctico:

o Ve(t) al Canal 1 del osciloscopio o Vs(t) al Canal 2 del osciloscopio o El selector de escala de tiempos del osciloscopio en la posicin final X-Y o Dibjese sobre la grfica de la figura 7 la seal de salida obtenida.

VS (t)

1N4007

VE(t)

10v

-10v

VE(t)

VS (t)

T=1ms

t

t VS (t)

VE (t)

5 V

1N4007

Figura 7. Circuito recortador.




Modificar el circuito para que la seal se vea recortada para valores inferiores a -3 V. Utilizando la seal de entrada empleada en el ejercicio, obtener la funcin de

transferencia del circuito y la evolucin temporal de la seal de salida tericamente,

mediante simulacin y de manera experimental.


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