manual de prcticas de laboratorio-electronica i- udea 2011-2

2011-2

Manual de prcticas de LaboratorioIngeniera Electrnica Universidad de Antioquia

Electrnica I y Electrnica Anloga I

IEO. Diana Mara Gmez Jaramillo IEO. Frank Alexander Ruiz Holgun Estudiantes de Maestra en Ingeniera Docentes de Ctedra

Laboratorio de Electrnica I y Electrnica Anloga I. UdeA

Manual de Prcticas de Laboratorio Electrnica I y Electrnica Anloga I

Docentes: IEO. Diana Mara Gmez Jaramillo IEO. Frank Alexander Ruiz Holgun

Ingeniera Electrnica

2

Tabla de contenido


Recomendaciones generales para el laboratorio ......................................................................................... 4 Al comenzar un laboratorio siempre se debe:.......................................................................................... 4 Durante el laboratorio se debe prestar atencin a: ................................................................................. 4 Al finalizar el laboratorio se debe: ............................................................................................................ 4 Prcticas de laboratorio ................................................................................................................................ 5 PRCTICA No. 0 ......................................................................................................................................... 6 NETLIST EN SPICE ............................................................................................................................ 6 PRCTICA No. 1 ....................................................................................................................................... 13 AMPLIFICADOR OPERACIONAL ........................................................................................................... 13 PRCTICA No. 2 ....................................................................................................................................... 16 APLICACIONES DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES ............................................................... 16 PRCTICA No. 3 ....................................................................................................................................... 20 CONCEPTOS BSICOS DE DIODOS DE JUNTURA ................................................................................. 20 PRCTICA No. 4 ....................................................................................................................................... 24 OTROS TIPOS DE DIODOS Y APLICACIONES ........................................................................................ 24 PRCTICA No. 5 ....................................................................................................................................... 27 MONTAJES CON EL TRANSISTOR......................................................................................................... 27 PRCTICA No. 6 ....................................................................................................................................... 32 AMPLIFICADORES DE UNA SOLA ETAPA: EMISOR, BASE Y COLECTOR COMN BJT Y SU RESPUESTA EN FRECUENCIA .................................................................................................................................. 32 PRCTICA No. 7 ....................................................................................................................................... 37 AMPLIFICADOR MOSFET ..................................................................................................................... 37 PRCTICA No. 8 ....................................................................................................................................... 40 CONTROL DE MOTOR DC .................................................................................................................... 40

3

1


Recomendaciones generales para el laboratorioAl comenzar un laboratorio siempre se debe:1. 2. 3. 4. Verificar el buen funcionamiento de TODOS los equipos de laboratorio. Revisar la continuidad de TODOS los cables y caimanes que se necesiten durante la prctica. Adquirir todos los materiales necesarios para la prctica. Tener conocimiento de las posibles causas de accidente y la respectiva accin en caso de presentarse (Tomas elctricos, equipos contra incendios, etc.)

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

Al finalizar el laboratorio se debe:1. 2. 3. 4. 5.

Tener por lo menos 4 conclusiones (No incluya muy, gran, pequeo, etc., sea objetivo. Tampoco concluya cosas obvias, por ejemplo: La teora se parece MUCHO a la prctica ) Dejar todo como se encontr. Entregar el informe respectivo. Revisar que los equipos de laboratorio queden apagados. Informar cualquier irregularidad.

Para tener en cuentaLas prcticas se desarrollarn los das mircoles 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 prctica dura una hora con cuarenta y cinco minutos, as 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 deber verificar la existencia de los elementos a utilizar en los montajes con anterioridad, de modo tal que si no se encuentra algn elemento disponible en el laboratorio asumir la responsabilidad de conseguirlo por cuenta propia.

4

2


Prcticas de laboratorio

5

Laboratorio de Electrnica I y Electrnica Anloga I. UdeAPRCTICA No. 0 NETLIST EN SPICE LABORATORIO DE ELECTRONICA I UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA Sintaxis usada en Pspice para simular circuitos en modo texto A continuacin 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 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 Lname N1 N2 Value Cap5 3 4 35E-12 5 L12 7 3 6.25E-3 1m

6

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.

7


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

8

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 opamp741Using 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.

9

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) .endType 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 .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

10

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)

11

PROCEDIMIENTO


1. Simular un circuito RC Pasabajas. Realizar un anlisis en Frecuencia para distintos valores de C con R=1k. Usar una fuente con las siguientes caractersticas 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 simulacin en el tiempo y observar la carga y la descarga del capacitor simulando diferentes valores de C. Usar una fuente con las siguientes caractersticas: 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 seal.

2. Simular un circuito rectificador de media onda usando un diodo semiconductor ideal (VD=0), la seal de excitacin 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 parametrizacin 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

12

Laboratorio de Electrnica I y Electrnica Anloga I. UdeAPRCTICA No. 1 AMPLIFICADOR OPERACIONAL1. OBJETIVO Se busca que el estudiante logre familiarizarse con las propiedades y aplicaciones bsicas del amplificador operacional y adquiera destreza en montaje de circuitos. 2. PROCEDIMIENTO 2.1 Como preparacin para esta prctica, se recomienda leer el captulo 2 del libro Circuitos Microelectrnicos 1, o cualquier otra fuente bibliogrfica que explique el tema de Amplificadores operacionales. 2.2 Consulte la hoja de especificaciones del amplificador operacional LF353 e identifique los parmetros ms 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 seal de entrada vs la seal de salida. Indique la Ganancia y compare con los resultados del numeral anterior. Polarice los AO con 10V y use una seal de entrada DC de 10 V. 2.5 Simule en Pspice modo texto (Netlist), el circuito de la figura 2. Vi es una seal cuadrada (50% duty cycle) de 6 Vpp y 500 Hz. Tome grficas de las seales de entrada y de salida. (R1=10 k, R2=10 k, Rf=100 k y C=0.1 uF, y voltajes de alimentacin DC de 10 V) 3. EXPERIMENTO Todos los circuitos en esta prctica sern 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 1 2.

1

Circuitos Microelectrnicos, A. S. Sedra y K. C. Smith, 5 edicin, Mc Graw Hill.

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

2

13


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.

14

3.1.2

Operacin en AC y saturacin de la salida. Conecte el generador de seales al nodo A de ambos circuitos, con un voltaje sinusoidal de 1KHz, inicialmente con 1Vpp de amplitud. Observe simultneamente en el osciloscopio los voltajes en los nodos B y D, verifique nuevamente la ganancia de voltaje obtenida y comprela con los numerales anteriores. Escriba sus observaciones. Ahora aumente la amplitud del voltaje de entrada en el nodo A hasta cuando observe saturacin del voltaje de salida en el nodo D. Identifique los lmites del voltaje de salida en el nodo D. Circuito integrador.


3.2

3.2.1 Construya el circuito integrador mostrado en la figura 2 con R1=10 k, R2=10 k, Rf=100 k y C=0.1 uF, y voltajes de alimentacin DC de 10 V. 3.2.2 Conecte una seal cuadrada (50% duty cycle) de 6 Vpp y 500 Hz. Tome grficas de las seales de entrada y la salida. Explicar la forma de onda a la salida y cmo esta confirma que efectivamente el circuito integra.

4. CONCLUSIONES

15

Laboratorio de Electrnica I y Electrnica Anloga I. UdeAPRCTICA No. 2 APLICACIONES DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

1. OBJETIVO Identificar la utilidad de los amplificadores operacionales en el diseo de aplicaciones electrnicas. 2. PROCEDIMIENTO 2.1 Consulte la hoja de especificaciones del amplificador operacional LM324 e identifique los siguientes parmetros: voltajes mximos de polarizacin, voltaje offset de entrada, corriente offset de entrada, corriente de polarizacin de entrada, impedancia de entrada, ganancia de voltaje en lazo abierto, razn de rechazo en modo comn y slew rate. Tambin consulte las hojas de datos de los circuitos integrados LM3914 y LM3915. 2.2 Estudie el funcionamiento del circuito amplificador de instrumentacin mostrado en la figura 13. Responda de qu 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 vara entre 0 y 6 V, explique cmo varan los voltajes de salida V1 a V8, en funcin de VIN. 3. SIMULACIN: 3.1 Simule en PSPICE el circuito amplificador de instrumentacin mostrado en la figura 1. Utilice para la simulacin 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 grficas de la ganancia de voltaje en modo diferencial. 3.2 Realice una parametrizacin de la resistencia R1 desde algn valor pequeo hasta 100K 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 simulacin 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 versin evaluacin de SPICE no puede simularse todo el circuito (demasiados nodos); sino dispone de la versin profesional puede simular solo 3 de los amplificadores.3

Circuitos Microelectrnicos Sedra/Smith. Cuarta edicin, cap.2, pg. 89.

16

4. EXPERIMENTO


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

Figura 1. El amplificador de instrumentacin.

Utilice en lugar del resistor R1, un potencimetro de 100K . Con ayuda de los instrumentos del laboratorio verifique el funcionamiento del amplificador. Explique a continuacin la verificacin 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 330 y un diodo emisor de luz (LED), este arreglo le ayudar observar a claramente el funcionamiento del circuito. Vare el voltaje de VIN entre 0 y 6V (fuente variable) y observe los voltajes de salida V1 a V8, observe tambin el estado de los LEDs. Escriba sus observaciones y conclusiones sobre el montaje de esta aplicacin.

17


Figura 2: Aplicacin 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 prctica, disee una aplicacin en la que una variable fsica (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 fsica.

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

18

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 (25C) slo encienda el LED 8.


5. CONCLUSIONES

19

Laboratorio de Electrnica I y Electrnica Anloga I. UdeAPRCTICA No. 3 CONCEPTOS BSICOS DE DIODOS DE JUNTURA1. OBJETIVO Identificar el diodo como un dispositivo electrnico prctico, mediante los siguientes pasos: la identificacin de los principales parmetros de un diodo en su hoja de especificaciones y en su modelo de simulacin, la verificacin del funcionamiento del diodo mediante la simulacin de circuitos sencillos y una experimentacin sencilla que permita comprobar los conceptos tericos bsicos y los resultados de simulacin 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 ms importantes de estos. Establezca, segn 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 caractersticas ms importantes de dichos diodos (voltaje de conduccin, de ruptura inversa, mxima corriente, tiempo de recuperacin, etc) 2.2 Cules son los parmetros ms importantes del modelo del diodo en SPICE? Verifique el modelo del diodo 1N4002 en la librera 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 caracterstica del diodo, ID vs VD. Marque sus puntos ms importantes, anexe sus observaciones y conclusiones. R=1k.

Figura 1. Circuito bsico para caracterizar un diodo.

20


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.

21

Laboratorio de Electrnica I y Electrnica Anloga I. UdeA2.4 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 100K. Obtenga grficos 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 cada de voltaje constante de 0.7V en polarizacin directa y lleve los resultados a la tabla1.

Simulacin V0P (voltaje pico) Rectificador de media onda (figura2) Rectificador de onda completa (figura 3) Rectificador de onda completa (figura 4)

V0 DC (voltaje promedio AVG)

V0 RMS (voltaje eficaz)

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 1K, y un voltaje de alimentacin sinusoidal de amplitud 10V y frecuencia 60Hz. 3.2 La curva caracterstica del diodo puede ser obtenida utilizando un osciloscopio en modo de visualizacin X Y. Coloque el osciloscopio en modo X Y, lleve al eje Y (vertical) el voltaje en el resistor (ctodo del diodo) y al eje X (horizontal) el voltaje en el nodo del diodo, ajuste las escalas de los ejes adecuadamente para visualizar en la pantalla el grfico. Explique claramente cmo 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 conexin. 3.3 Implementacin 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

22

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 100K. 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. Experimentacin V0P (voltaje pico) Rectificador de media onda (figura2) Rectificador de onda completa (figura 3) Rectificador de onda completa (figura 4) V0 DC (voltaje promedio AVG) V0 RMS (voltaje eficaz)


Tabla 2. Medidas de voltaje en circuitos rectificadores.

4. CONCLUSIONES

23

Laboratorio de Electrnica I y Electrnica Anloga I. UdeAPRCTICA No. 4 OTROS TIPOS DE DIODOS Y APLICACIONES1. OBJETIVO En esta prctica se busca que el estudiante identifique aplicaciones con diferentes tipos de diodos, despus de haber conocido la teora general de estos dispositivos y estudiado algunas de las posibles aplicaciones. 2. PROCEDIMIENTO Analice las cuatro aplicaciones mostradas a continuacin, explique claramente el funcionamiento de cada una. Disee cada una de las cuatro aplicaciones, definiendo usted mismo, las entradas a los circuitos (seales y polarizaciones) y los componentes necesarios. En algunos casos, usted debe disear circuitos que cumplan con ciertas condiciones especificadas. Luego, construya las cuatro aplicaciones diseadas 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 operacin 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 porqu de la situacin observada. Intercambie de posicin el diodo LED y la resistencia, conecte el osciloscopio a la salida del diodo, la fuente de seal Vs ser de tipo Sinusoidal, con frecuencia de 1KHz y 5Vpp. Describa sus observaciones al respecto. Capture grficas. Repita el procedimiento anterior para un LED de diferente color. Qu diferencias encuentra? A qu se debe esto?.

24

2.2 Fuente de voltaje DC regulada ajustable. Su diseo debe garantizar que la fuente entregue hasta 18V DC y una corriente no menor de 1A.


Anexe su diseo al informe.

2.3 Regulador de voltaje DC con diodo Zener. Utilice el generador de seales para alimentar el circuito como se especifica a continuacin. 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 diseo al informe. 2.3.1 Compruebe con el osciloscopio la rectificacin de onda completa entre la tierra y la salida del puente rectificador (nodos a y b), para esto se debe quitar el condensador. Capture grficas. 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 seal. Capture grficas.

25

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


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 diseo 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

26

Laboratorio de Electrnica I y Electrnica Anloga I. UdeAPRCTICA No. 5 MONTAJES CON EL TRANSISTOR1. OBJETIVOS Identificar los distintos modos de operacin de un transistor BJT, tanto de uno tipo NPN como un PNP. Conocer algunas aplicaciones del transistor bipolar operando en regin activa, corte y saturacin. Verificar el funcionamiento y posibles aplicaciones de un Rel.

2. PROCEDIMIENTO Estudie las hojas de especificaciones de los transistores 2N2222 y 2N3906, verifique las especificaciones ms importantes de estos, establezca, segn las especificaciones, las principales diferencias. Escriba sus observaciones al respecto. Consulte que es un rel, cul es su principio de funcionamiento, aplicaciones y recomendaciones de uso. Qu precauciones deben tenerse en cuenta para conmutar cargas inductivas?

3. SIMULACIN 3.1 Utilice los esquemas de la figura 1 para obtener las curvas caractersticas del transistor (IC vs VCE), identifique en dichas curvas cada una de las regiones del transistor (Activa, Saturacin 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

27

3.2 Realice la simulacin del circuito de la figura 2 y obtenga las corrientes en todas las ramas y los voltajes en todos los nodos (circuito de polarizacin del transistor, anlisis en DC, .OP).


Figura 2

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

VB

VC

VE

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

28


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 operacin del transistor. Compare los datos obtenidos con la simulacin respectiva. 4.2 Monte el circuito de la figura 3, aplique a la entrada una seal sinusoidal de 150mVpp (en caso de no ser posible esta amplitud, ajuste el generador a la seal ms pequea que ste le proporcione) a una frecuencia de 1 kHz. Mida y observe en el osciloscopio las grficas de Vi y Vo. Describa la relacin de fase entre ambas ondas. Conecte como resistencia de carga una RL=1K. 4.3 Construya las siguientes aplicaciones y verifique su funcionamiento en el laboratorio.

29


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 operacin del transistor. Escriba a continuacin 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 regin de saturacin, asuma que el rel tiene una resistencia interna de 50 Ohm y que el voltaje de entrada es de 0 5V. Realice el montaje y observe el funcionamiento.

30


Figura 5 Escriba a continuacin sus observaciones sobre el funcionamiento del circuito e indique sus posibles usos. Cul es la utilidad del diodo D1?

5. CONCLUSIONES.

31

Laboratorio de Electrnica I y Electrnica Anloga I. UdeAPRCTICA No. 6 AMPLIFICADORES DE UNA SOLA ETAPA: EMISOR, BASE Y COLECTOR COMN BJT Y SU RESPUESTA EN FRECUENCIA1. OBJETIVOS Comprobar el funcionamiento del transistor como amplificador de pequea seal. Realizar un anlisis en el dominio de la frecuencia de amplificadores mono etapa con transistores BJT. 2. PREPARACIN Estudie el funcionamiento del transistor como amplificador lineal, para lo cual revise los conceptos de operacin en regin activa y respuesta en frecuencia. Tambin 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. SIMULACIN Simule en PSPICE modo texto (Netlist), los circuitos de las figuras 1, 2 y 3. Realice un anlisis en DC para verificar el modo de operacin de los transistores (.OP), un anlisis en el tiempo (.TRAN) para verificar ganancias de voltaje y corriente y un anlisis en la frecuencia (.AC) para observar el comportamiento de los circuitos en ese dominio. Llene las tablas indicadas para cada circuito.

Figura 1. Emisor Comn.

32

El amplificador de emisor comn (EC) puede disearse 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 Polarizacin del transistor Variando RL


VB

VC

VE

Modo de operacin

RL 500 1k 10kVariando C1

fL

fH

Av

Bw

Variando Ce

Variando C2

Ce fL fH Av Bw 10u 22u 47u

C1 fL fH Av Bw 10u 22u 47u


Figura 2. Base Comn.

33

El amplificador base comn (BC), tiene una muy baja resistencia de entrada, una ganancia de corriente de casi la unidad, una resistencia de salida que est determinada por RC y una ganancia de voltaje que depende crticamente de Rs. Debido a su muy baja resistencia de entrada, el circuito BC no es atractivo como amplificador de voltaje, su aplicacin ms comn es como amplificador de corriente de ganancia unitaria. Despreciando a ro y con RL=220 ohm, se tendra a la salida del amplificador una Ro pequea, lo cual producira que circulara por la carga una corriente de alrededor 0.9Is y una pequea amplificacin de voltaje. Del anlisis en frecuencia, se puede ver que fH es muy grande (aprox. 100 Mhz) lo cual, para fines prcticos del laboratorio, no sera 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 Polarizacin del transistor Variando RL


VB

VC

VE

Modo de operacin

RL 220 10K 100k C2 fL 10u 22u 47u

fL

fH

Av

Bw

Variando C1 , con C2=22u

Variando C2, con C1=22u

C1 fL 10u 22u 47u

fH

Av Bw

fH

Av Bw

34


Figura 3. Colector Comn.

El amplificador Colector Comn (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 Polarizacin del transistor Variando RL

VB

VC

VE

Modo de operacin

fL

RL 10 50 1k fH

fH

Av

Bw



C1 fL 10u 22u 47u

fH

Av Bw

C2 fL 10u 22u 47u

Av Bw

35

4. EXPERIMENTO


4.1 Construya el circuito de las figuras 1 utilizando transistores 2N3904. Alimente los circuitos con una seal sinusoidal de amplitud 100 mVp a una frecuencia de 1kHz. 4.2 Aumente la frecuencia de la seal de entrada Vs hasta que la seal de salida, despus de haber sido mxima, haya cado un 30% y encuentre la frecuencia de corte superior (a -3dB). 4.3 Disminuya la frecuencia de la seal de entrada Vs hasta que la seal de salida, despus de haber sido mxima, haya cado un 30% y encuentre la frecuencia de corte inferior (a -3dB). 4.4 Determine el ancho de banda del amplificador Emisor Comn 4.5 Llene las siguientes tablas:

EMISOR COMNCon: C1=22u, C2=22u, Ce=47u Polarizacin del transistor Variando RL

VB

VC

VE

Modo de operacin

RL 500 1k 10k

fL

fH

Av

Bw

Variando Ce

Variando C1

Variando C2

Ce fL fH Av Bw 10u 22u 47u5. CONCLUSIONES



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

36

Laboratorio de Electrnica I y Electrnica Anloga I. UdeAPRCTICA No. 7 AMPLIFICADOR MOSFET1. OBJETIVOS Medir los voltajes de operacin 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 caractersticas y establezca algunas diferencias entre ellos. 2.2 Consulte la estructura fsica y modos de operacin del MOSFET. Comente las principales caractersticas encontradas. 4

2.3 Consulte los parmetros del MOSFET en PSpice. 3. SIMULACIN 3.1 Simule el siguiente cdigo. Capture las graficas de los voltajes y la corriente de polarizacin del transistor. (VGS, VDS, ID). Lleve los datos obtenidos en la simulacin a la tabla1. Amplificador MOSFET polarizacin 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 MICROELECTRNICOS 4ed. Captulo 5. Pg. 354-360.

37

3.2 Simule en PSpice modo texto, el circuito de la figura1 y obtenga grficas 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 cdigo y mida con el multmetro los voltajes y la corriente de polarizacin del transistor. (VGS, VDS, ID). Lleve sus mediciones a la tabla1. NOTA 1: El punto de operacin del transistor depende de sus caractersticas fsicas (W, L). Para obtener una mayor aproximacin entre la simulacin y las mediciones en el laboratorio, es necesario consultar el manual tcnico del MOSFET usado y encontrar el valor de esos parmetros. En caso de no hallarlos, se podr variar experimentalmente los valores de L y W a valores que hagan coincidir los voltajes y las corrientes de polarizacin del transistor. VGS Terico (Pspice) Medida Multmetro Modo Operacin Tabla 1. 4.2 Ajuste el generador de seales para una salida de onda senoidal a una frecuencia de 1kHz y una amplitud de 200 mVpp. Conctelo a la entrada del amplificador MOSFET como lo indica el siguiente circuito, conecte tambin los resistores y capacitores que all aparecen: VDS ID


Figura 1.

38

Laboratorio de Electrnica I y Electrnica Anloga I. UdeA4.3 Mida la seal de salida del amplificador con ayuda del osciloscopio y comprela con la simulacin del circuito anterior. Capture grficas y llene la tabla 2:

Vop Simulacin Medida Osciloscopio

Vip

Vop / Vip

Tabla 2. 4.4 Parametrice el valor de la resistencia de carga RL, Obtenga grficas para los distintos valores de la seal de entrada contra la seal de salida (Ganancia). 5. CONCLUSIONES.

39

Laboratorio de Electrnica I y Electrnica Anloga I. UdeAPRCTICA No. 8 CONTROL DE MOTOR DC1. OBJETIVO Controlar un motor DC usando dispositivos electrnicos semiconductores o circuitos integrados digitales (transistores, compuertas lgicas, 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 ms importantes de estos, escriba sus observaciones al respecto. 2.2 Con el fin de desarrollar la prctica es necesario que consulte y lea muy bien sobre los siguientes tpicos: Puente H: funcionamiento e implementacin. Motores DC: funcionamiento y control de velocidad. 2.3 Se desea desarrollar un sistema electrnico compuesto por un actuador (motor DC) y tres sensores infrarrojos, los cuales pueden tener como receptor el circuito desarrollado en prcticas anteriores (contador de eventos). Este sistema en su funcionalidad debe cumplir las siguientes condiciones: 2.3.1 Cuando la seal del primer sensor sea interrumpida, el motor DC debe permanecer encendido, una nueva interrupcin a este mismo sensor, apagar el motor (sensor on/off). Se recomienda usar flip-flops para retener el pulso. 2.3.2 Cuando la seal del segundo sensor sea interrumpida, el motor DC debe invertir el sentido de giro y permanecer girando en esa misma direccin hasta que otra interrupcin al mismo sensor lo haga cambiar de direccin. 2.3.3 Cuando la seal del tercer sensor sea interrumpida, el motor DC debe aumentar su velocidad.

NOTA 1: La distancia mnima para establecer comunicacin 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.

40

3. EXPERIMENTO


Luego de construir la aplicacin diseada, verifique su funcionamiento en el laboratorio. Escriba a continuacin sus observaciones sobre el funcionamiento del circuito. 4. CONCLUSIONES

41

manual de prcticas de laboratorio-electronica i- udea 2011-2

Documents