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Tema :Diodos Semiconductores

Lab. Nº 2

Semestre II

Alumnos :

Apellidos y Nombres Nota

Ancori Chambi, Jhohan Marco

Saavedra Condori , Luis Ángel

Valdivia Joachin, Marco Romualdo

Profesor: Hernando Prada

Programa Profesional: PFR Grupo: F

Fecha de entrega : 13 03 2015 Especialidad: c - 2

1. Marco Teórico

Electrónica

Laboratorio 2

Diodos Semiconductores

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Semestre II

Contenidos de aprendizaje

Registro de una característica de tensión y corriente Lectura de la tensión de ruptura Estados de conducción y bloqueo del diodo

IntroducciónLos diodos modernos son componentes semiconductores que han adquirido gran importancia en la ingeniería eléctrica y electrónica debido a su diseño compacto y naturaleza robusta. En el pasado se usaron diodos de vacío con cátodos y ánodos calientes. Hoy, el silicio es el material básico más importante.

Figura 1:Aquí se observan varios modelos de diodos semiconductores,que difieren entre sí porsu resistencia a la tensión, ala corriente y por su frecuencia de conmutación. El fabricante proporciona especificaciones precisas de estas propiedades en una hoja de datos.Usualmente, los diodos poseen dos terminales.

Ánodo Cátodo

Figura 2:Incluso en la actualidad, los diodos semiconductores se representan por medio de un ánodo y un cátodo.

Figura 3:Características de diodos de silicio y germanio en estado de conducción.

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Descripción del funcionamiento:El diodo ideal funciona como una válvula de corriente eléctrica. Permite que la corriente fluya del ánodo hacia el cátodo en el sentido de conducción, mientras que bloquea la circulación de corriente del cátodo hacia el ánodo en la dirección inversa.La dirección de conducción de corriente se reconoce por la flecha en el símbolo gráfico (figura 2).

Diodos reales:En el componente real (figura 1) se imprime una denominación del tipo. El cátodo se identifica por medio de un anillo o, en el caso de modelos más grandes, gracias al símbolo gráfico o una letra. Ocasionalmente, también hay tipos que omiten del todo la identificación. Por lo tanto, hay que remitirse a la ficha técnica del fabricante correspondiente o realizar una medición con el probador de diodos.Las propiedades de un diodo real difieren ligeramente de las de uno ideal puesto que no presentan propiedades de conducción ni de bloqueo ideales. Esto se reconoce especialmente en la curva característica del diodo (figura 3). Se pueden notar efectos adversos al usar altas frecuencias, hecho que, sin embargo, ignoraremos en este curso.

Sentido de conducción:Los diodos tienen una tensión de conducción muy baja, de aproximadamente 0,7 V en el caso de un diodo de silicio y 0,3 V si se trata de uno de germanio. Además, tienen una resistencia a la conducción de corriente que se reconoce en la pendiente de la característica del componente.Los diodos poseen límites que no se pueden rebasar. En el rango de conducción no se debe exceder la corriente máxima admisible.

Propiedades de bloqueo:Los diodos solamente tienen una resistencia finita a la tensión, la cual, sin embargo, varía enormemente de tipo a tipo. En el sentido de bloqueo, se debe tener en cuenta la máxima tensión de admisible.

Contenidos de aprendizaje

Rectificador de semionda Rectificador en puente Alisado y ondulación y residual Resistencia de carga

IntroducciónGeneralmente, las fuentes de suministro de tensión no son adecuadas para alimentar directamente equipos electrónicos. En primer lugar, su tensión se debe llevar a un rango apropiado y, a continuación, se procede a su rectificación y alisamiento. Un control adicional mantiene la tensión constante independientemente de la carga.Esta descripción y los siguientes experimentos se concentran en el rectificador y la correspondiente red de alisamiento.

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Usando los diodos semiconductores disponibles en la actualidad, los rectificadores se pueden emplear muy fácilmente para que actúen en todos los rangos de potencia.De entre todos los posibles circuitos rectificadores, hay dos que desempeñan un papel particularmente importante en la práctica debido a su popularidad y uso generalizado. Adicionalmente al circuito rectificador propiamente dicho, casi siempre hay otro circuito necesario para alisar la tensión "pulsante" o, de ser necesario, reducir los picos de corriente.

Rectificador desemionda

Rectificador enpuente

Capacitor dealisado

Alisado con capacitor einductancia

Rectificador de semiondaDebido al efecto de válvula de los diodos, estos solo permiten el paso de la semionda positiva de la tensión de corriente alterna sinusoidal, mientras que la semionda negativa se ve bloqueada. El resultado es una "tensión pulsante" u ondulada de corriente continua, compuesta, por tanto, de tensión continua y de una tensión alterna superpuesta.El valor promedio de la tensión de corriente continua VD AV corresponde al área de un periodo de tiempo versus tensión.La frecuencia de la onda fundamental de una tensión alterna superpuesta asciende a 50 Hz.Nota: El circuito de semionda no se debe usar para transformadores de fuentes de alimentación (o solo para rangos bajos de potencia), debido a que el transformador se carga con una componente de corriente continua.

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La amplitud de la tensión de salida, en comparación con la de entrada, se reduce en un valor igual al de la tensión de conducción del diodo de, aproximadamente, 0,7 V.

Rectificador en puenteEn el sentido del flujo de corriente del rectificador en puente siempre operan simultáneamente dos diodos, mientras que los otros dos permanecen en el sentido de bloqueo. Durante la aparición de las semiondas positivas y negativas estas funciones las asumen diferente diodos, tal como se aprecia en las siguientes imágenes.

Durante la aparición de lasemionda positiva, losdiodos D2 y D3 conducencorriente mientras que D1 y D4 la bloquean.

Durante la aparición de lasemionda negativa, losdiodos D1 y D4 conducencorriente mientras que D2 y D3 la bloquean.

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El resultado es nuevamente una tensión de corriente continua ondulada. A diferencia del caso en que se rectifica la semionda, la ondulación es considerablemente reducida, la media aritmética y frecuencia de la tensión de ondulación asciende al doble en comparación de lo que ocurre con la rectificación de semionda.

2. Materiales

Cables Diodos 1N4007 Resistencia(100Ω 10k Ω 4.7k Ω) Amperímetro Osciloscopio y Función generador(dentro del programa) Condensador 1µF

3. Procedimientos

EFECTO DE VALVULA DE UN DIODO

Para realizar el circuito nos guiamos del siguiente diagrama. En el cual se puede observar un diodo una fuente de voltaje y una resistencia.

Luego conectamos la fuente de alimentación como se indicaba en el montaje experimental. Y seleccionamos para la tensión de salida un voltaje aproximado de 4 voltios.

Luego de esto respondimos las siguientes preguntas:

¿Cuál es el valor de la corriente que circula a través del diodo en el sentido de conducción?

Iconducción=39 mA ¡Correcto!

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Ahora invierta la dirección del diodo, es decir, insértelo en el sentido de bloqueo del circuito. Repita la medición llevada a cabo en la pregunta anterior. ¿Cuál es el valor de la intensidad de corriente si el diodo está conectado en sentido de bloqueo?Ibloqueo=0 mA ¡Correcto!

1. Curva característica del diodo

Para realizar el circuito correspondiente a la segunda experiencia utilizamos el siguiente diagrama de guia

Realización del experimento y tareas

Una vez realizado el ensayo, el estudiante deberá ser capaz de:

Reconocer el oscilograma de un diodo. Leer el valor de tensión de bloqueo. Medir la característica de un diodo.

Conecte la fuente de alimentación de corriente alterna en el lugar indicado con el símbolo ~ en el montaje experimental. En el generador de funciones, seleccione una tensión de salida con un valor aproximado de 4V. Conecte los terminales de medición del osciloscopio en la posición prescrita y seleccione en el instrumento los parámetros indicados anteriormente. No obstante, en primer lugar active únicamente el canal A del osciloscopio. Registre el oscilograma en el siguiente diagrama

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¿Cuál es el valor de la tensión de ruptura del diodo?

Vruptura = 0,7 V ¡Correcto!

Reemplace la resistencia de 100 ohmios por una de 330 ohmios. ¿Cuál es ahora la respuesta de la tensión de bloqueo?

Permanece aproximadamente constante.Se triplica.Se reduce a un tercio de su valor.

¡Correcto!

Ahora seleccione el modo de visualización de ejes X/Y en el osciloscopio y active adicionalmente el canal B. Reemplace las conexiones del amperímetro por medio de un cable o puente y registre la característica en el diagrama.

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RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

Para este experimento es necesario realizar el circuito como está en el siguiente diagrama:

Realización del experimento y tareas

Seleccione en el osciloscopio las opciones indicadas anteriormente. Copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación.

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¿Cuál es la tensión máxima que circula a través de la resistencia?

Vpp = 3,5 V ¡Correcto!

¿A partir de esto, cuál es el valor de la tensión que cae en la resistencia?

Vmínima = 0,8 V ¡Correcto!

Cambie la frecuencia del generador de funciones a 200 Hz. No adapte en este caso el barrido de la frecuencia. Copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación

Cambie la frecuencia del generador de funciones a 200 Hz. ¿Cuál es la tensión máxima que circula ahora a través de la resistencia?

Vmáxima = 3,5 V ¡Correcto!

¿Cuál es la tensión mínima que circula a través de la resistencia?

Vmínima = 2,3 V ¡Correcto!

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Reemplace el resistor de 10 kiloohmios por uno de 4,7 kiloohmios y seleccione una frecuencia de 50 Hz (para una mejor lectura es necesario volver a adaptar el barrido). ¿Cuál es la tensión mínima que circula a través de la resistencia? V

mínima = 0,2 V

¡Correcto!

Aumente nuevamente la frecuencia a 200 Hz. ¿Cuál es la tensión mínima que circula a través de la resistencia?

Vmínima = 1,5 V ¡Correcto!

Calcule la ondulación residual a partir de las mediciones anteriores. Con esta finalidad consulte la página anterior.

Q10k,50Hz = 70 %

Q10k,200Hz = 30 %

Q4,7k,50Hz = 80 %

Q4,7k,200Hz = 47,5 %

¡Correcto!

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? La ondulación residual...

... disminuye al incrementarse la carga. ... se incrementa con el aumento de la frecuencia. ¡Correcto!

... permanece siempre igual.

... disminuye si decrece la carga.

... aumenta si disminuye la frecuencia.

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

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Realización del experimento y tareas

Una vez realizado el ensayo, el estudiante deberá ser capaz de:

Reconocer la tensión de salida de un rectificador puente de onda completa. Evaluar la ondulación residual bajo carga. Reconocer el oscilograma de un rectificador de onda completa parcialmente

dañado.

Ajuste el osciloscopio como se indicó anteriormente y retire el condensador delCircuito. Copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación

Seleccione el voltaje de entrada en un valor de 4 V de tensión pico. ¿Qué valor tiene la tensión pico en la salida del rectificador puente de onda completa?

Vp

= 2,54 V ¡Correcto!

¿Por qué la tensión pico es menor en la salida que en la entrada?

La tensión es menor debido al desfase en el tiempo de la señal.La tensión es menor debido a que cae aproximadamente0,7 voltios al pasar por cada diodo.La tensión es menor porque está más cerca de la carga.

¡Correcto!

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¿Por qué la tensión de salida es plana entre las dos semiondas?

Se produce una caída de tensión de 0,7 voltios en cada uno de los diodos. Por este motivo, por debajo de una tensión de entrada menor que 1,4 V ya no se cuenta con voltaje.Toda la tensión cae en la resistencia de carga.La tensión de salida sufre la influencia del osciloscopio en la medición.

¡Correcto!

Conecte ahora el condensador en la posición que se encontraba anteriormente. Copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación.

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Mida la ondulación residual y registre el valor obtenido en la casilla siguiente. Vresidua = 2 V

¡Correcto!

4. Conclusiones

o En la primera experiencia podemos ver que al realizar el circuito y medir

el diodo en directa la corriente que nos vota es una lectura de 39, incorporado con la resistencia, pero cuando lo ponemos en inverso o de bloqueo nos muestra una lectura de 0 amperes de corriente lo cual confirma la teoría del diodo cuando al ánodo le llega el terminal positivo este conduce corriente, mientras que cuando al ánodo le llegase por el terminal negativo este se abriría y bloquearía el paso de la corriente.

o En la segunda experiencia se hizo uso de un osciloscopio para poder

ver un oscilograma la ruptura del diodo lo que confirma nuestra teoría estudiada de que cuando un diodo está conectado en inversa este genera una importante circulación de corriente, mucho más grande que la corriente de saturación. Este fenómeno puede ser generado por el efecto avalancha y efecto Zener.

o En el experimento 3 se demostró que la ondulación residual disminuye

si decrece la carga y aumenta si disminuye la frecuencia.o En el experimento 4 se comprobó que el voltaje pico es menor en la

salida que en la entrada debido a que cae 0.7 voltios al pasar por cada diodo.

5. Observaciones

Al momento de armar el circuito no se tomó en cuenta una modificación en el función generador es por ello que hubo un inconveniente al momento de proporcionar energía al tablero

Pudimos comprobar con estas experiencias el comportamiento de los diodos y así como también reconocer un oscilograma de un diodo y poder interpretarlo o leerlo.

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6. Anexos

Condensador eléctrico

Condensador

Varios tipos de condensadores

Tipo Pasivo

Principio de

funcionamiento

Capacidad eléctrica

Fecha de invención Edward Georg von

Kleist (1745)

Primera producción Aproximadamente por 1900

Símbolo electrónico

Configuración En condensadores

electrolíticos: negativo y

positivo; en cerámicos: no

presentan polaridad

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Un condensador eléctrico o capacitor es un dispositivo pasivo, utilizado

en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando

un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras,

generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia

total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a

parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas,

sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga

eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación

de carga total.

Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga

ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser

introducido en un circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz"

de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la

misma energía que cede después durante el periodo de descarga.

Funcionamiento

La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de

potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la

llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se

mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el

que, sometidas sus armaduras a unad.d.p. de 1 voltio, estas adquieren una

carga eléctrica de 1 culombio.

La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los

condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en

micro- µF = 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 -faradios. Los

condensadores obtenidos a partir de supercondensadores (EDLC) son la

excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran área

relativa y tienen una separación molecular entre las "placas". Así se consiguen

capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos

condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de

1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está utilizando en los

prototipos de automóviles eléctricos.

El valor de la capacidad de un condensador viene definido por la siguiente

fórmula:

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En donde:

: Capacitancia o capacidad

: Carga eléctrica almacenada en la placa 1.

: Diferencia de potencial entre la placa 1 y la 2.

Nótese que en la definición de capacidad es indiferente que se considere la

carga de la placa positiva o la de la negativa, ya que

Aunque por convenio se suele considerar la carga de la placa positiva.

En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras

como la naturaleza del material dieléctrico son sumamente variables. Existen

condensadores formados por placas, usualmente de aluminio, separadas

por aire, materiales cerámicos, mica, poliéster, papel o por una capa de óxido

de aluminio obtenido por medio de la electrólisis.

Energía almacenada

Cuando aumenta la diferencia de potencial entre sus terminales, el

condensador almacena carga eléctrica debido a la presencia de un campo

eléctrico en su interior; cuando esta disminuye, el condensador devuelve dicha

carga al circuito. Matemáticamente se puede obtener que la energía ,

almacenada por un condensador con capacidad , que es conectado a una

diferencia de potencial , viene dada por:

Fórmula para cualesquiera valores de tensión inicial y tensión

final:

Donde es la carga inicial. Es la carga final. es la tensión inicial. es la

tensión final.

Este hecho es aprovechado para la fabricación de memorias, en las que se

aprovecha la capacidad que aparece entre la puerta y el canal de

los transistores MOS para ahorrar componentes.

Carga y descarga

Al conectar un condensador en un circuito, la corriente empieza a circular por el

mismo. A la vez, el condensador va acumulando carga entre sus placas.

Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular

corriente por el circuito. Si se quita la fuente y se coloca el condensador y la

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resistencia en paralelo, la carga empieza a fluir de una de las placas del

condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la carga es nula en

las dos placas. En este caso, la corriente circulará en sentido contrario al que

circulaba mientras el condensador se estaba cargando.

Carga

Descarga

Donde:

V (t) es la tensión en el condensador.

Vi es la tensión o diferencia de potencial eléctrico inicial (t=0) entre las

placas del condensador.

Vf es la tensión o diferencia de potencial eléctrico final (a régimen

estacionario t>=4RC) entre las placas del condensador.

I (t) la intensidad de corriente que circula por el circuito.

RC es la capacitancia del condensador en faradios multiplicada por la

resistencia del circuito en Ohmios, llamada constante de tiempo.

En corriente alterna

En CA, un condensador ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente

que recibe el nombre de reactancia capacitiva, XC, cuyo valor viene dado por

la inversa del producto de la pulsación ( ) por la capacidad, C:

Si la pulsación se expresa en radianes por segundo (rad/s) y la capacidad

en faradios (F), la reactancia resultará en ohmios.

De acuerdo con la ley de Ohm, la corriente alterna que circule por el

condensador se adelantará 90º ( ) respecto a la tensión aplicada.

Asociaciones de condensadores

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Asociación serie general.

Asociación paralelo general.

Los condensadores pueden asociarse en serie, paralelo o de forma mixta. En

estos casos, la capacidad equivalente resulta ser para la asociación en serie:

Y para la asociación en paralelo:

Es decir, el sumatorio de todas las capacidades de los condensadores

conectados en paralelo.

Es fácil demostrar estas dos expresiones, para la primera solo hay que tener

en cuenta que la carga almacenada en las placas es la misma en ambos

condensadores (se tiene que inducir la misma cantidad de carga entre las

placas y por tanto cambia la diferencia de potencial para mantener la

capacitancia de cada uno), y por otro lado en la asociación en "paralelo", se

tiene que la diferencia de potencial entre ambas placas tiene que ser la misma

(debido al modo en el que están conectados), así que cambiará la cantidad de

carga. Como esta se encuentra en el numerador ( ) la suma de

capacidades será simplemente la suma algebraica.

También vale recordar que el cálculo de la capacidad equivalente en paralelo

es similar al cálculo de la resistencia de dos dispositivos en serie, y la

capacidad o capacitancia en serie se calcula de forma similar a la resistencia

en paralelo.

Condensadores variables

Un condensador variable es aquel en el cual se pueda cambiar el valor de su

capacidad. En el caso de un condensador plano, la capacidad puede

expresarse por la siguiente ecuación:

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Donde:

Es la permisividad del vacío ≈ 8,854187817... × 10−12 F·m−1

Es la constante dieléctrica o permisividad relativa del

material dieléctrico entre las placas;

A es el área efectiva de las placas;

Y d es la distancia entre las placas o espesor del dieléctrico.

Condensador electrolítico

Condensadores electrolíticos de diferentes tamaños.

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Condensador electrolítico Axial (arriba) y radial (abajo).

Un condensador electrolítico es un tipo de condensador que usa un líquido iónico conductor como una de sus placas. Típicamente con más capacidad por unidad de volumen que otros tipos de condensadores, son valiosos en circuitos eléctricos con relativa alta corriente y baja frecuencia. Este es especialmente el caso en los filtros de alimentadores de corriente, donde se usan para almacenar la carga, y moderar el voltaje de salida y las fluctuaciones de corriente en la salida rectificada. También son muy usados en los circuitos que deben conducir corriente continua pero no corriente alterna.

Los condensadores electrolíticos pueden tener mucha capacitancia, permitiendo la construcción de filtros de muy baja frecuencia.