Los tcnicos en electrnica trabajan con electricidad, disposi tivos electrni-cos, motores y otra maquinaria rotato ria. Con frecuenci a necesitan usar herra-mientas manual es y mecn icas para construir prototipos de nuevosdispositivos o realizar experimentos. Tambin emplean instrumentos de prue-bapara medir las caractersticas elctricas de las componentes, dispositivos ysistemas electrnicos. De ah que estn involucrados en una docena de tareasdiferentes.

Estas tareas son interesant es y represe ntan un reto , pero involucran cier-to riesgo si los tcn icos no tienen c uidado en sus hb itos de trabajo. Es, porlo tant o, esencial que los estudiantes tcnicos aprendan los princ ipios de se-guridad al iniciar sus carreras y los pongan en prc tica.

El trabajn seguro requiere un enfoque cuidadoso y consc iente para cadauna de las tareas. Antes de emprender un trabajo, los tcnicos deben en ten-der qu hacer y cmo hacerlo. Deben planear el trabajo, disponiendo sobreel banco de trabajo. de mane ra ordenada., herramientas. equi po e ins trumen-tos. Todos los objetos extraos se de ben quitar del banco de trabajo y los ca-bles se deben sujetar en forma segura .

Cuando se trabaj a en o cerca de maqu inaria rotato ria, la ropa holgada sedebe sujet ar de algn modo y manten er aseguradas las corbatas.

Los voltajes de alimentacin (potencia) se deben aislar de la tierra me-diante un transformador de aislamiento. Los voltajes de la lnea de alimen-tacin pueden causar la muerte de manera que no se debe hacer contactocon las manos o el cuerpo. Los cables y cordones de alimentacin se de benverificar antes de usarse . Si el ais lamiento de los cordones de alimentacinest a punto de romperse o est roto, no se deben usar. PARA EL ESTU-DIANTE: evite el contacto directo con cualquier fuente de voltaje . M ida losvolt ajes con una mano en la bolsa del pan taln . Use zapatos de goma o hu-le o permanezca sobre un tape te de hu le c uando trabaje en el banco de ex-perimentos. Asegrese de que sus manos estn secas y que no est paradosobre un piso hmedo cuando haga pruebas y mediciones en un circuito

SEGURIDAD

r xii SEG URIDAD

energizado. Desenergice antes de conectar instrumentos deprueba en un circuito energizado.

Verifique que los cordones de alimentacin de las herra-mientas de potencia y el equipo no aislado tengan clavijasde seguridad (clavijas de tres terminales polarizadas). Nomenosprecie la seguridad de estas clavijas usando adapta-dores no aterrizados. No sustituya los dispositivos de segu-ridad, como fusibles o interruptores termomagnticos deseguridad, mediante el puenteo de los mismos o el uso defusibles de mayor capacidad que la que especifica el fabr -cante. El propsito de los disposi tivos de seguridad es pro-teger a usted y al equipo.

Maneje las herramientas en forma apropiada y con cui-dado. No permita juegos o bromas en el laboratorio. Cuan-do se usan herramientas de potencia, asegure su trabajo enun tornillo de banco o con pinzas de sujecin. Use guantesy anteojos cuando se requieran.

Tenga un buen comportamiento y sentido comn, y suvida en el laboratorio estar asegurada.

Primeros auxilios .

En caso de accidente, suspenda de inmed iato el suministro deenerga. Reporte el accidente a su instructor. Podra ser nece-sario que usted tenga que proporcionar cuidados de emergen-cia antes de que el mdico llegue. de manera que deberconocer los principios de primeros auxilios, que puede apren-der tomando un curso en la Cruz Roja.

Algunas sugerencias de primeros auxilios se planteanaqu como una gua sencilla.

Mantenga acos tada a la persona accidentada hasta quellegue la ayuda mdica, y procure abrigarla para mantenersu temperatura corporal, y as evitar un shock. No intentedarle agua u otros lquidos si la persona est inconsciente yasegrese de que nada pueda causar heridas adicionales.

Respiracin artificial ..Los choques elctricos severos pueden causar que una per-sona deje de resp irar. Es t preparado para iniciar respira-cin artificial tan pronto la persona deje de respirar. Las dosrecomendaciones tcnicas son:

1. Respiracin boca a boca, considerada ms efectiva.2. Mtodo de Schaeffer.

Estas tcnicas se describen en los libros de primeros au-xilios; usted debe dominar una u otra de modo que si surgela necesidad sea capaz de salvar la vida de alguien median-te respiracin artificial. -

Estas instrucciones de seguridad no debern alarmarlo;por el contrario, su propsito es que sea consciente de losriesgos que corre un tcnico en electrnica, pues riesgoshay en todos los trabajos. Por lo tanto, debe usar el sentidocomn y el buen juicio, as como mantener la seguridad ensus hbitos de trabajo, como en cualquier otro trabajo.

SIMBOLOGA MEDIANTE LETRAS

Como se observa en el prefacio de los autores, el nfa sis primordial de es-te manual est en dispositivos semiconductores (estado s lido) y circuitos.Sin embargo. tambin se tratan los tubos al vaco y sus circuitos asociados.lo que hace conveniente el uso de smbolos mediante letras que en el textotienen el mismo significado para ambos circuitos: de estado slido y de tu-bos al vaco. De acue rdo con el IEEE (Institu te of Electrical and ElectronicsEngineers), la simbologa mediante letras para dispositivos semico nducto-res (Estndar IEEE #255) se usaron con modific aciones para los tubos alvaco.

El siguiente resumen de smbolos para cantidades elctricas intenta acla-rar su uso en el texto.

Simbologa de cantidades ...... .... .... ...........L Los valores instantneos de corriente, voltaje y potencia-que varan

con el tiempo, se represen tan median te letras minsculas del propiosmbolo.Ejemplos: . v. p.

2. Mximo (pico), promedio (corriente direc ta) y el valo r med io cuadr -tco (rms) de corriente, voltaje y potencia se representan con letrasmaysculas del smbolo apropiado.Ejemplos: l . V. P.

xlv SIMBOL OG iA

de cantidades .Sub ndices para smbolos

corriente de emisor en corriente directa (no es la com-ponente de alterna)valor rms de la componente de alterna de la corrientede emisorvalor instantneo de la componente de alterna de lacorriente de emisor Los voltajes de alimentacin se pueden indicar repi-tiendo el subndice de la terminal.Ejemplos: Vu Vec Vss. VpP' VOG-La nica excepcin es el uso ocasional de V + para elvoltaje de alimentacin de la placa de un tubo. Obser-ve que V + reemplaza u B + que es ms usual.El primer sub ndice designa la terminal en la que semide el voltaje o la corriente con respecto a la termi-nal de referencia, la cual se designa mediante el se-gundo subndice .

Ejemplos:

i,

5.

4.

Los valores de corriente directa y valores instantneostotales se indican mediante subndices con letras ma-ysculas.Ejemplos: ic. le. Vu. VES' Pe. Pe-Los valores de la componente de alterna se indicancon subndices con letras minsculas.Ejemplos: ie 1" V~b' V~b ' Pe. Pe'Smbolos que se usan como subndices:

E, e terminal del emisorB, b terminal de la basee, e terminal del colectorA, a terminal del nodoK, k terminal del ctodoG, g terminal de la rej illaP, P terminal de la placa

M, m valor mximoM n. mn valor mnimo

2.

1.

3.

CARACTERSTICAS DEL DIODO DE UNiN

EXPERIMENTO~

INFORMACiN BSICA

Semiconductores .

Los semiconductores son slidos cuya resis tividad est entre la de los con-ductores elctricos y la de los aislantes e lctr icos . Los transistores, los dio-dos de unin, los diodos Zener, los diodos de tnel. los circuitos integrados ylos rectificadores metlicos son ejemplos de semiconductores. stos se em -plean en computadoras . rece ptores de radio. apara tos de televisin. video-grabadoras y otros aparatos electrnicos.

Mediante dispositivos semico nductores se llevan a cabo diversas fun-ciones de control. Pueden utilizarse como rectificadores. amplificadores ,detectores, osciladore s y elementos de conmutacin. Algunas caractersticaspropias de los semiconductores que los convien en en uno de los miemb rosfavoritos de la familia electrnica son las siguientes.

1. Los semiconductores son slidos. Por ello. es muy poco probable quevibren.

2. Los semiconductores consumen poca energa e irradian poco ca lor. Norequieren tiempo de calentamiento y empiezan a funcionar en cuanto seles suministra energa.

3. Los semiconductores son fuertes y se pueden con figurar para que per-manezcan hermticos ante las condiciones del medio externo. Junto consu tamao reducido (figura 1- 1), estas caractersticas permiten que gra n-des circ uitos ocupen un espacio minimo.

OBJETIVOS

Medir los efectos de laspolarizaciones directa einversa en la corrientede un diodo de unin .

Determinar de m aneraexperimental las carao -tersticas de voltajey co-rriente de un diodo deunin y graficar1as.

Hacer pruebas a un dio-do de unin con un h-metro.

2 EX PER I MENT O 1

Figura 1-1. Un transistor.

Materiales semiconductores e Impurezas

El silicio y, en menor grado, el germa nio, son los materialescon los que actualm ente se constr uyen los dispositivos se-miconductores. Predomina el silicio, por ser menos sensibleal calor.

Antes de fabri car con ellos materiales sem iconductoreseficientes , el germanio y e l silicio deben someterse a unproceso de alta puri ficacin. En su estado original . la con-ductividad de estos semiconductores es muy baja; es decir.su resistividad es elevada. Para aumentar la conductividad delgermanio y del silicio se aaden cantidades minsculas deciertas " impurezas" . La adicin de diversas cantidades y va-riedades de impurezas . o contaminacin. modifica la estruc-tura del enlace elec trnico de los tomos de estos elementos.y les proporcionan portadores de corrie nte que aumentan suconductividad.

Impurezas tales como el arsnico y el antimonio aumen-tan la conductividad del si licio al incre mentar la cantidad deporta dores (electro nes libres) de carga negativos (N). Debi-do a lo anterior, el silicio contaminado con arsn ico o conantimonio se conoce como tipo N. El silicio tipo N contienealgunas cargas positivas (huecos). pero son la minora y se lesconoce como portadores minorita rios. Se puede considerarque el flujo de corriente en el silicio tipo N se porta por loselectrones libres, que son los portadores may oritarios.

Imp urezas tales como el indio y el galio elevan la con-ductividad del silicio mediante el incremento de l nmero deportadores de carga positivos (P. huecos). El silicio co nta-minado con indio o con galio se co noce como tipo P. El si-licio tipo P co ntiene algunos e lectrones libres. pero se tratade portadores minoritarios. Se puede considerar que el flu -jo de la co rriente en el silicio tipo P se lleva a cabo median-te huecos. que son portadores'mayorrarios.

Los huecos sienten atraccin por los electrones libres.Cuando se Uegan a "encontrar" un electrn libre y un hue -co. el primero "ll ena" el hueco y neutraliza su carga. Se di-ce que el electrn lib re se ha co mbinado con el hueco.Durante este proceso. tanto e l hueco co mo e l electrn librese pierden como portadores de co rrien te. Mientras sucede loanterior, tamb in se estn formando nuevos portadores decorriente en otras part es de l semiconductor.

El movimiento de los portadores de corriente se puedecontro lar aplicando un vo ltaje de una batera externa, VM '

p

-00-0 - 0--0_ lo

-00-0 -0I 0-

- Gv~ 0---

' ,11-Figura 1-2. Movim iento de electrone s libres y huecos en un maleorial tipo P.

en el semiconductor (figura 12). La terminal positiva deVM repele a los huecos del silicio tipo P que se desplazanhacia la terminal negativa. Los electrones libres entran al si-licio procedentes de la terminal negativa de VM Yse despla-zan hacia los huecos. Se llev an a cabo combinaciones deelectrones libres y huecos. Al tiempo que se fonnan estascombinaciones. se liberan ms electrones y huecos mvilesen el silic io. a partir de un par electrn-hueco. Los electro-nes liberados se desplaza n hacia la terminal positiva de labatera y los huecos hacia la termi nal negativa de la batera.Continan las recombinaciones y liberaciones; de esta ma-nera se mantiene un flujo de co rriente constante en el cir-cuita externo.

Funcionamiento de un diodo de unin semiconductor

Cuan do se une n silicios tipo P Ytipo N como se muestraen la fig ura 1-3. se forma un diodo de unin . Es te d isposi-tivo de dos elem entos tiene una caracte rstica nica: la ca -pacidad para permitir el paso de la corriente slo en unadireccin.

Al conectar la terminal negativa de la batera al silic iotipo N Yla terminal positiva al silicio tipo P el resultado esun flujo de corri ente que se co noce co mo polarizacin d-recta. Los electrones y los huecos se desplazan. al ser Tepe-

P N

Figura 13. Diodo de unin.

CARACT ER l sT 1CAS DE I. DIODO DI' u xr o a 3

Rgura 1-4. Efecto de la polarizacin inversa en un diOdO de unin .

Figura ' 5. Smbolo del circuito Querepresenta un diodo semcon-doclo

MFigura 1-7. Polaridad de las puntas de conex in de un hmetro.

Funcin ohms de bajo voltaje de unhmetro .

Qu hace un diodo? Conduce bien la corriente en direc-cin directa y mal en la direccin inversa. En esenc ia. ideal-mente un diodo funciona como conductor perfecto (voltajecero) cuando tiene polarizacin directa y como un aislanteperfecto (corriente cero) si tiene polarizac in inversa (figu-ra 1-8). A esta primera aproximacin de un diodo se le co-noce como diodo ideal. Representa una manera sencilla yrpida de analizar los circu itos de diodos .

Por ejemplo, el diodo de la figura 1-9a) tiene polariza-cin directa . En una primera aproximacin acta como uncorto circuito . Por 10tanto. la corrien te que pasa por el dio-does

Primera aproximacin .

Cmo identificar el nodo y el ctodo de un diodo

Por lo general, el ctodo de un diodo se indica mediante unabanda circu lar. Si el diodo no est marcado, es sencillo de-terminar cul es el nodo y cul es el ctodo con una veri-ficacin en la resistencia. Primero se determ ina la polaridadde las puntas de conexin del hmetro con un voltmetroconec tado a las terminales del hrnetro. A continuacin sedetermina la posicin de las puntas de conex in del hme-tro que mide la resistencia directa del diodo . En esta posi-cin, la punta de conexin positiva del hmetro se conectacon el nodo y la nega tiva con el ctodo .

La batera de un hmetro no electrnico, como el de la fi-gura 1-7, es de 1.5 Va ms. Por lo tanto. es capaz de pola-rizar directamente un diodo de unin de silicio con un valormayor que los 0.7 V necesarios para la conduccin. De ma-nera similar, puede polarizar un diodo de unin de germanioa ms de los 0.3 V necesa rios para la conduccin . Por estoes posible !levar a cabo pruebas en diodos semiconductorescon un hmetro. Sin embargo, en la localizacin de fallasde algunos circui tos semiconductores se utilizan hmetroselec trnicos de baja potencia (LP). en los cuales el voltajede punta de conexin es menor a 0.7, e incluso 0.3 V. Lafuncin correspondiente a ohm s de baja potencia (LPl) deeste tipo de hmetro no sirve para medir la res istencia di-recta de un diodo , ni puede identificar el nodo o el ctodode un diodo . Por fortuna , el fabricante proporciona. ade-ms de la funcin ohms de baja potencia. una funcin pa-ra ohms normales . Las pruebas de resis tencia de un diodosemiconductor se llevan a eabo mediante la funcin olunsnormales del hm ctro.

HMETRO

BA

+

El voltaje de activacin en polarizacin directa de losdiodos de silicio tiene un valor caracterstico de 0.7 V. En elcaso de los diodos de germanio es de 0.3 V.

Cuando el diodo tiene polarizacin inversa, la pequeacorrien te produc ida por los portado res minoritarios per-manece relativamente constante. es decir, independientedel voltaje de polarizacin. hasta que se llega a cierto valor devoltaje. Despus de este nivel seguro de polarizacin inver-sa se produce un fenmeno conocido como "ruptura de ava-lancha", cuando se presen ta una corr iente de sobrecargafuerte, la cual puede destruir el diodo . Por ello , es necesarioque ste funcione dentro de lmites seguros, normalmenteespecificados por el fabricante como voltaje directo mxi-mo (VFM ) y voltaje inverso mximo (V RM ) . Tambin se es-pecifica la corriente directa pico (I'M).

M todo para prohar un diodo semiconductor con unhmetro

La verificacin de resistencia es un mtodo algo burdo pa-ra probar el funcionamiento de un diodo semiconductor.Como se recordar , la polaridad de las terminales de la ba-tera de un hmetro aparece en las puntas de conex in. Enla figura 1-7, la punta A es positiva y la punta B es negat i-va. Al probar con un hmetro un diodo cuyo funcionamien -to es normal se encuentra que la resistenc ia directa de dichodiodo es baja y que la resistencia inversa es elevada. Por 10tanto, si la punta de conex in positiva del hmetro (A en lafigura 1-7) se conecta al nodo del diodo y la punta de cone-xin negativa (B) al ctodo, el diodo estar polarizado direc-tamente. La corr iente fluir y el diodo medir una resistenciabaja. Por otra parte, si se invierten las puntas de conexindel hmetro, el diodo estar polarizado inversamente. Flu-ye poca corriente y el valor de la resistencia del diodo es ele-vado. Si un diodo semiconductor presenta una resistenciadirecta muy baja y una resistencia inversa baja, es probableque est daado (fund ido). Por otra parte, una resistenciadirecta extraordinariamente alta o infinita, indica que el dio-do est abierto.

4 E XPE RI ME N TO 1

( 1.2)

'd

POLARIZACiNEN INVERSA

1 = 10 V - 0.7V = 4.65 roA2kO

Si la polarizaci n del diodo es inversa, como en la figu-ra 1-9b) , la seg unda aproximacin sigue dando un valor decorriente igual a cero.

mente no fluye sino has ta que aparecen 0.7 V en el diodo.A partir de este momento el diodo se activa. Sin importar lacorriente directa. s lo se permi te una ca da de voltaje de0.7 V en el diodo de silic io. (Para los diodos de germanio.utilice un valor de 0.3 V.) Por cierto. el valor de 0.7 V se co-noce como voltaje de barrera o de "codo".

La figura I-JOb) es el circuito equivalente de la segun-da aproximaci n. En este caso el diodo debe cons iderarsecomo un interruptor conectado en serie con una batera de0.7 V. Si el voltaje fuente que alimenta a l diodo rebasa alvoltaje de contratenscn. se cierra el interruptor y el voltajedel diodo es igual a 0.7 V. .

Como ejemplo se util izar la seg unda aproximacinpara el caso de l diodo de la figura 1-9a ). El voltaje de lafuente es suficiente para reba sar el voltaje de codo. Por lotanto, e l diodo tiene polarizac in directa y la corriente esigual a

Resistencia msca

~I

Para valores superiores al voltaje de codo, la corriente deldiodo aumenta co n rapidez ; un pequeo aumento del volta-je del diodo provoca un aumento considerable en la corrien-te del diodo. Una vez superado el voltaje de contratensi n,

'"

SEGUNDAAPROXIMACIN

o

(1.1)

v

H"

'"

C A R A C T E R l s T I C A S DEL DIOD O DE U NI N 5

POLARIZACiNEN DIRECTA

0'

lO V -zr-

l.'

v

VOLTAJEDIRECTO CERO

'"

H"

.,

1 = IOV = S mA2 kO

Figura 1-8. Diodo ideal : a) grfiea; b) polarizacin directa: elpolarizacin inversa .

Para que un diodo de silicio conduzca rea lmente bien es ne-cesario que haya por lo menos 0.7 V. Cuando la fuente devoltaje es grande, 0.7 V es una cantidad muy pequea comopara tener algn efecto. Pero si la fuente de voltaje no es tangrande, entonces hay que tomar en cuen ta los 0.7 V.

En la figura 1- 10a) se muestra la grfica correspondien -te a la segunda aproximacin. Se puede observar que la co-

Figura 19. Primera apl"oximacin: a) 1'" 5 mA; b) I == OmA.

Segunda aproximacin .

Por a ira par te , el diodo de la figura 1-9b) tiene polariza-cin inversa. Idealmente se trata de un circui to abierto, porlo que la corriente que circula por l es de O.

CORRIENTEINVERSA CERO

Figura 110. Segunda aproximacin : a) grfica; b) circuito equivalente de la polariZacin directa.

l O V -=-

6 E X PE RI M E NT O 1

v

1.'1

Figura 1-11. al Resistencia masica: b) corriente directa correspondiente a 1 V.

lb )

TERCERA .APROX IMAC IONo~---1*"--o

----:-, V,__ II Va Ii 0 .1 ( & I~II~

1/1'

V,w v

li : 1 _

Figura 1-12. Tercera aprox imac in: a) grfica ; b) equivalente en polarizac in directa ; e) ejemplo.

10 nico que se opone a la corriente del diodo es la resisten -cia de las regiones P y N, representadas por rp y r,~' en la fi-gura 1-11. La suma de es tas resist enci as se llama resistenciamsca del diodo. Usando litera les

(1.3)

El valor car acterstico de ro vara entre 1 y 25 oh ms (H).El clculo de la resistencia m stca de un d iod o de sili-

c io se reali za de la sig uie nte man era . En la hoja de especi-ficac iones de l fabricante por lo general se ind ica el valor dela corriente d irecta I F correspondiente a 1 V. En el caso deun diodo de silicio los primero s 0.7 V son necesarios parareba sar el voltaj e de barrera; los 0.3 volts restantes se con -sumen en la res istenc ia msica del d iodo . Por lo tanto, paracalcular la resistenc ia msica se tie ne

Tercera aproximacin .

En la terce ra aprox imacin de un diodo se incl uye la resis-tencia m sica. ro. En la figura l- 12a ) se muestra el efectode r ll . Una vez activado el d iodo de si licio, la corriente pro-duce un voltaj e e n re. Cu anto mayor sea la co rriente, mayorser el voltaje.

El circuito equivale nte de la tercera aproxi mac i n es uninterruptor co nectado en se rie con una bate ra de 0.7 V Y unaresis tencia de valor r 8 (figura 1-12b). Una vez que en el circui-to externo se rebasa el potenc ial de contrarcnsi n, se obligael paso de la corriente a travs de la resistenc ia m sica.

Como ejemplo de la tercera aprox imacin supo nga que seusa un IN456 co mo el de la figura 1-9a ). Dado que tiene unaresistenc ia msica de 7.5 n, e l equivale nte de la figura 1-9a )puede ser la figura 1-12c). En es te circuito la corr iente es

0.3 V/r

(l A ) 1 = IOV - 0.7V2kH +7.5 H

9.3 V2007.5 H

( 1.6)

dond e I r es la corrie nte dir ecta para 1 V.Por ejemplo, el l N456 es un d iodo de silicio cuya Ir es

igual a 40 mA a 1 V. Su resistenc ia msi ca es igual a

Se ha analizado el mismo circuito (fi gura 1-9a) utilizandotres aproximaciones de l diodo . Los resultados obten idos son

r = 0.3 V = 7 .SH11 40 mA ( J .5)

1 "" 5 mAI = 4.65I "" 4.63

(idea l)(segunda)(tercera)

( 1.7 )

CARACTERls TICAS D E L 01 0 0 0 D E U N IN 7

Cul de estas aproximaciones debe utilizar usted? Ello de-pender del circuito en part icular que se analice y del pro-psito del anlisis.

Si se trata de un anlis is preliminar, empiece por laaproximacin del diodo ideal. sta dar una idea rpidadel funcionamiento del circu ito. Si el valor de 0.7 V essignificativo en relacin co n el voltaje de la fuente. util icela segunda aprox imacin. Y si la resistencia msica es sig-nificativa en relacin con la resistencia del circuito, use latercera aprox imacin.

RESUMEN

l. En electrnica se prefiere util izar semiconductorespara controlar la corrie nte deb ido a su reducido tama-o y a su mnimo cons umo de energa y porque per-miten lograr la microminiaturizacin de dispositivos ycircuitos elec trnicos.

2. Los materiales bsicos semiconductores son el silicioy el germanio. que en su es tado puro son aislantes. Es-tos materiales se contaminan con impurezas para dis-minuir su resistividad y aumentar su conductividad.

3. Cuando se unen una pieza de semiconductor tipo N(portadores de corriente negativos. electrones) y unatipo P (portadores positivos. huecos) - lo cual est de-terminado por el material de contaminacin- se formaun diodo de unin.

4. Un diodo de unin tiene caractersticas de corr ienteunidireccional; es decir. permit e el flujo de la corr ien-te en una direccin (cuando tiene polarizacin direc-ta). pero no en la contraria (cuando tiene polarizacininversa).

5. Existe un lmite para el voltaje mximo directo (ter-minal negativa de una fuente de alimentacin conec-tada con el material N) y el voltaje mximo inverso(terminal negat iva conectada con el material P) que seaplican a un diodo de unin.

6. El voltaje de activacin o umbral de un diodo dcunin de silicio es 0 .7 V Y0 .3 V para un diodo de gcr-rnanio. Una vez que este voltaje se aplica al diodo. s-te conducir de manera apreciable. Un aumento delvoltaje de polarizacin directo provoca un aumento dela corriente en el diodo .

7. Un diodo de unin se puede probar con un hmetro.ste mide la corriente que pasa por el dispositivo enfuncin del voltaje que se aplica con el medidor. Conla aplicacin elctrica de la ley de Ohm, la lectura de lacorriente se convierte en una lectura de resistencia.Cuando las puntas del hmetro se conectan al diodo demanera que quede polarizado directamente el flujode corriente es elevado. lo que indica una baja resis-tencia. Al invertir las puntas de conexin del hmetro

se polariza inversamente al diodo . con lo que se impi-de el flujo de la mayor parte de la corriente y en con-secuencia el valor ledo de la resistencia es alto.

8. Debido al comportamiento unidireccional del diodo.podra considerarse de manera ideal como un conocircuito cuando tiene polarizacin directa y como un cir-cuita abierto cuando tiene polarizacin inversa. Estose conoce como aproximacin de diodo ideal.

9. La segunda aprox imacin de un diodo tiene en cuen-ta el voltaje de umbral. Es decir. el comportamientoen polarizacin direc ta del diodo se considera comoun cono circuito conectado en serie con una batera de0.7 V.

10. En la tercera aproxi macin de las caractersticas de undiodo, la resistencia msica, responsable de un consu-mo adicional del potencial de voltaje. se tiene en cuen-ta en el circ uito de diodo.

AUTO EVALUACiN... .. .. ......... ................... .

Responda a las siguientes preguntas para evaluar su apren-dizaje.

1. El material semiconductor ms comn es _2. El germanio y el silicio. en fam a pura, son _

(conductores, aisladores3. En el silicio contam inado con impurezas como el ar-

snico hay una cantidad mayor de portadores de carga_____ (positivos, negativos) y el material es tipo:::-::-:---:- (N. P)

4. El diodo de unin puede compararse con una resisten-cia ya que permite el tlujo de la corriente en ambas di-recciones. (verdade ro. falso )

5. Para polarizar directamente un diodo de unin, conectela punta (positiva. negati va) de una batenacon la terminal tipo P del diodo y la punta _(positiva , negativa) con la terminal tipo N.

6. El voltaje de polarizacin directa de un diodo de siliciodebe ser igualo mayor que V para que eldiodo pueda conducir de manera apreciable.

7. La caracterstica voltaje-corriente de un diodo de unines la grfica de en funcin de_---:_ ,---c.

8. Una vez que se activa un diodo, al aumentar el voltajeen el diodo se produce una (mayor. me-llar) circulacin de corriente en el diodo.

9. La resistencia directa de un diodo de silicio es_ _ _ _ ; la resistencia inversa _

10. La resistencia di recta de un diodo se puede verificar.de manera aproxi mada. utilizando _ _ --,,---_

11. La primera aproximacin de un diodo, conocida tambincomo el diodo . sirve cuando se quiere

8 EXP ERIM ENTO I

realizar un an lisis preliminar. De acue rdo con ella, e ldiodo es un perfecto o un aislante perfecto.

12. Un diodo ideal se comporta como un interruptor____ _ cuando tiene polarizacin directa y co-mo un interruptor cuando tiene polariza-c in inversa.

13. El voltaje de barrera de un dicxlo de silicio es de

14. En la segunda aprox imac in. en el circuito exte rno sedebe aplicar por lo menos para que eldiodo de silicio se act ive. Entonces, sin importar lacantidad de corriente presente. la cada en el diodo es

15. La resistencia es la resistencia de las re-giones P y N. Esto impide que haya corriente una vezrebasado el voltaje de contratensin.

16. En la tercera aproximacin de un diodo de silicio. se con-sidera que hay un conectado en serie conuna balera de 0.7 V Y una resistencia _

o

CARACT ER S T IC AS D EL D IOD O DE U Ni N 9

Cambie la posicin del diodo en el circuito de mane-ra que tenga polarizacin directa. Aju ste la fuente decd variable de acuerdo con los valores de VA K que semues tran en la tab la 1-2. Mida y anote la corriente topara cada valor de VA K.Invierta la posic in del diodo de manera que tenga po-larizac in inversa. De nuevo fije la fuente de cd varia-ble de acue rdo con los valores indicados en la tabla1-2. Mida y anote el valor de ID' Esta corriente es pe-quea y quiz requiera un ampe rmetro o un multme-tro que lean cor rientes del orden de microampers.Trace la cur va caracterstica de un diodo en papel cua-driculado; para ello, graquc VAK en el eje x e IDen eleje y. Tome nota de que los valores de polarizacin di-recta de VA K se cons ideran positivos y los valores depolarizaci n inversa se cons ideran negativos. La co-rriente de polarizacin directa que pasa por el diodose cons idera de valores positivos dado que la corrien-te fluye del ctodo al nodo . Los valores de la co-

7,

4 , Mida VAK con el diodo en polarizacin inversa. Anotela lectura en la tabla 1- 1. Calcu le y anote la resistenciadel diodo (VAK dividido en tre ID ) para configuracionesde un diodo con polarizacin directa y con polarizacininversa.

5. Qu ite el diodo del c ircuito y mida su resistencia. In-vierta las puntas de conexin y mida de nuevo la re-sistencia del diodo. Dado que la batera del medidoremp leado para medir la resistencia tiene una polari-dad, las puntas de prueba del medidor tambin estarnpolarizadas. Anote ambas lecturas en la tabla 1-1, endonde corresponda.

6,

8,

Paso V" /D Resistencia del diodo

2 0.7 V

3, 4

5 X X Directa:Inversa__

12 X X ro:

TABLA 1-1. Mediciones del diodo

Caracterstic as voltaje-corriente .

+

+

s ,

R

250n

+

l . Identifique los extremos del nodo y ctodo de undiodo de silicio IN4154 y arme el circui to mostradoen la figura 1 ~13, estan do el diodo en polarizacin di-recta. Cu l de los extremos del diodo conectara mscerca de la term inal negativa para lograr la polariza-cin directa?

2. Ajuste la salida de la fuente de cd variable de maneraque el voltaje en el diodo (VA K) mida 0.7 V. Mida yanote. en la tabla 1-1. la corriente del diodo (lD)' Culsera la corriente del diodo si ste estuviera invertido?

3. Invierta el diodo y mida ID _ Anote los resultados en latabla 1-1. Los resultados debern confirmar la predic-cin hecha en la pregunta 2.

Fuente de alimentacin: fuente de cd de alta corriente,voltaje bajo. variable y regul ada.Equipo: mult melro digital, VM, 20 000 suv. trazadorde curvas.Resistores: 250 n a 2 W.Diodo de silicio : l N41S4 (otras opciones: lN9 14 o cas itodos los diodos de silicio para seal pequea) .Diodo de germanio: lN34A (otras opciones : lN4454 ocasi todos los diodos de germanio para seal pequea).Otros: interruptor de un polo un tiro.

PROCEDIMIENTO

MATERIAL NECESARIO

Polarizacin del diodo .

Figura 1-13. Circuito para pruebas del experimento 1.

10 E X I' E R J \l F. ~ T O 1

TABLA 12. Caracter isticas voltaje-corriente

P(u o 6 Potarizacion Paso 7 Polari~cilI1'",r- V d irecta lo- mA VAl'" V inversa l o . .LA

O O

0.1 - SO.~ -10

03 - 15O,

-20

0.5 - 2506 -30

0.7 - 35

OS -40

inversa. De es ta manera se ob tendr una grfica quecuente con dos escala s por cada eje y con el cambiode escala en O.

9. Si dispone de un trazador de c urvas. consulte el ma-nual para el usuario y calibre los con troles para ob-servar la curva caracterstica de su diodo. Inserte e ldiodo y obser ve la curva en la pantalla del tubo de ra-yos catd icos (CRT). La curva ob tenida en este tra-zador se asemeja a la que obtuvo en el paso T!Explique la razn de cualquier diferencia significat i-va que encuentre.

Aproximaciones .... .. ... . ... . .. ... ..... ..

mente producidos por la polarizacin inversa del di o-do se deben a corrientes de fuga y fluyen en direc c i nopuesta a la de los valores de la comente directa. As.hay nmeros "negat ivos" en el eJe y. Calcule sus es-ca las numricas de mane ra que en el eje .r positivo serepresenten voltajes entre Oy 3 V Y en el eje x ncgcr i-vo aparezcan voltajes en tre Oy 50 V. A su vez. la es-cala del eje y deber servir para todo el intervalo decorrientes correspond ientes a la polarizacin dir ecta e

PREGUNTAS

10.

I L

En la grfica que obtuvo en el paso 8. dibuje con va-rios co lores. las curvas de la primera. segunda y ter-cera aproximaciones para su diodo.Calcule la resistencia msica ( r s) de su diodo me-d ia nte dos puntos loca lizados en la parte lineal de laporci n de po lar izacin di recta de la curva obtenidapara los valores VAK y lo. Sust ituya estos valores enla frmula

( L S)

despeje ro. Anote en la tabla 1-1 el valor de ro.

-

l . En el paso 5. i.c(mo decidi qu valor de resistenciaera la resistencia directa y la resistencia inversa?

2. Compare las resis te nc ias medidas en el paso 5 con lascalculada... en el paso 4 .

J. i.En qu condicio nes se acti va un diodo de unin'! Ex-plique. Con ...une las mediciones realizadas y anotad aseh la tab la 1-2_

ot. i.ll ay mucha variacin en las corr ientes inversas de latabla 1-2'! Comente qu diu lugar a los resultados oh-te nidos.

5. Cules son las limitaciones. en caso de haberlas. de :a ) la polarizaci n directa y b) la polarizacin inversa"!i.En es te ex pe rime nto se rebasaron las limitaciones?llaga referencia a las mediciones para apoyar su res-puesta.

6. Cmo pod ra ident ificar e l nod o dc un diodo que 0 0CSIl= marcad o'!

7. Cmo podr a determinar cul es la punta de cone-xin positiva de un hrn ctr ono clcrricu y cu l es la ne-gativa'!

EXPERIME NTO

,

CARACTERISTICAS DEL DIODO ZENER

INFORMACIN BSICA

Funcio na miento del diodo Zener .

Las caractersticas de un diodo de estado slido dependen del materi al se-miconductor del cual es t hecho el diodo, del tipo y grado de "contamina-cin" de dicho mater ial y de In construccin fsica y dimen sione s deldispositivo.

El diodo semiconducto r que est udi en el experimen to 1 funciona den-tro de los valores carac ter st icos de su polarizac i n di recta . Existe otro tipode diodos conoci dos co mo d iodos Zcner. c uyas caructeu sticas espe ciales decorriente y voltaje en polarizncin inversa se ut ilizan en aplicaciunes del to-do diferentes de las de l d iodo de rrixrul. En la figura 2-1 se muestra el sm-bolo de un diodo Zcn cr.

La figu ra 2-2 es la grfica de las caractersticas de volrajc-con-icnrc deun diodo Zcnc r. Cuando el diodo tiene polarizac in directa SL" comporta en -1110 un interruptor cerrado y la corrient e directa se incrcmcnt.r al aumentarel voltaje. La corriente directa es t limitada por los panirncrrox del circuito.Cuando el diodo tiene polarizacin inver sa. circula una pequea corriente

CTODO ~ NODOO~--\Jf---O

Figura 2-1. Smbolo de un d iodo Zener.

OBJETIVOS...............................

Medir los efectos de laspolarizaciones directa einversa enundiodoZe-ner.

Oete'rminar y graficar lascaractersticas de volta-je-corrientede"un diodoZener.

Construir_un reguladorde voltaje,Zener y de-terminar, de maneraex-perimental. el intervalodentro del cual el diodo-Zenerproduceun volta-je constante.

Aplicaciones

!I

R , II,

'..IIII

A

R,

voltaje Zener, el intervalo de tolerancia del voltaje Zener,los lmites de corrien te Zener, la disipacin mxima de po-tencia, la temperatura de operacin mxima, la impedanciaZener mx.ima en ohms, el factor de correccin trmica enmili vatios por grado Cel sius ("e) (antes centgrados ) y laco rriente de fuga inversa. Tambin se ind ican el tipo de ma-terial utilizado en el d iodo (por ejemplo , silic io) y las pos i-bles aplicaciones de d icho diodo.

El valor del volt aje de ruptura de un diodo depende delmateri al y de su co nst ruccin. Los diodos Zener se disea-ron para producir vo ltajes Zener entre uno y varios cientosde vous. El diseador de circuitos dispone de una gran va-riedad de diodos para e leg ir los que por sus caracter sticasms se aproximen a las necesidades del circuito .

Los d iodos Zener se uti lizan como reguladores de voltaje ycomo patrones de referencia de voltaje. La figura 2-3 mues-tra el ci rcuito de un diodo em pleado como regulador en pa-ralelo . El d iodo est en paralelo con un resstor de carga RL ,y su func in es mantener un voltaje co nstante e n la carga,dentro de los lmites req ueridos, cuando cambie ya sea elsumini stro de cd o la resistenci a de carga y. po r ende, la co-rriente.

A partir de los valores requeridos para un circuito se calcu-la el valor del ress tor lirnitador de corriente en serie (Rs) Yel tipo de diodo Zener. Suponga que se req uiere un voltajede sal ida, V" I' constante de 10 V ( 0.7 V) para una resis -tencia cuya corr iente h vara entr e 5 y 20 mA. El circuito sealimen ta mediante una fue nte de cd constante de 20 V Ypa-ra log rarlo se propone el diseo de un circuito regulador .

Suponga que el ci rcuito regulador de la figura 2-3 satis-face las especificaciones del prob lema. Se selecciona undiodo regu lador Zener cu yo Vz = 10 V. Supon ga que exis-te un diodo que permite una corriente reguladora lz de mane-ra que la corrie nte de circuito to tal lT sea co nstante a 30 mApor arriba del ran go de variacin de carga-corriente. Deacuerdo con la ley de voltaje de Kirch hoff

Figur a 2-3. Diodo zeoer utilizado como regulador de voltaje en pa-ralelo.

SUI.lINlSTRO _D'ce

12 EXPE R I MENTO 2

Figura 2-2. caractersticas de un diodo Zaner.

inversa, Is. llamada corriente de saturaci n. Is es relativa-mente constante aunque au mente el valor de la po larizacininversa, hasta llegar a la regin de disrupcin Zener. ce rca-na al vo ltaje Ze ner, Vz. Alrededor de esta regin la co rrien-te inversa empieza a aumentar co n rapidez deb ido al efectode avalanch a. Por ltimo se produ ce la d isrupc in Zener (unsbito au mento de la co rriente) cuando se alcanza el valorde voltaje Zener, Vz'

En esta regin una pequea variacin del vol taje produ-ce un enorme cambio en la corriente. Es obvio que, en estaregin , tienen lugar cambio s notabl es en la resistencia efec-tiva de la unin PN.

La disrupcin Zener no necesariamente provoca la des-truccin del diodo. En tanto la corriente que circula por eldiodo est limitada por el circuito externo a un nivel dentrode su capacidad de potencia admisible, el diodo funciona-r con norma lidad. Adems, al red ucir la polarizacin in-versa a va lo res inferiores al del vo ltaje Zener, el d iodo salede su nivel de disrupc in y regresa a su nivel de corriente desaturacin .

Este proceso de alternar al d iodo entre sus estados decorriente Ze ner y de co rriente no Zener se puede repetir unay otra vez sin daar al diodo. S in embargo, se debe recordarque cuando el diodo cambia de un esta do a otro hay c iertoretraso llamado tiempo de recuperacin.

Espec ificaciones

25 20 15 10

0.5 0. 1

Los fabricantes de diodos proporcionan una hoja de espec i-ficaciones para cada tipo de diodo Zener. stas incluyen el

RESUMEN

6. Un regulador de voltaje en paralelo bien disefiado (figu-ra 2 3) mantiene un voltaje de sa lida constante Vz ene l d iodo. sin importar las variaciones especificad asen e l vahaje de entrada o los cambios especifi cado s enla co rrie nte de ca rga.

7. En el regulador en paralelo de la figura 2-3. con losvalores de V,u . Ir y Vw se ca lcula el valor de Rs me-diante la ecu acin

AUTO EVALUACiN.... .................. .... .... .....

1. Cua ndo un diodo Ze ner se utiliza como regu lador devahaje debe tener polarizac in (d irecta .lll'ersa).

2. Si las especificaciones del fabricante indican ' que elvoltaje de salida de c ierto diodo Zcner es de 10 V ::!:10% de tolerancia. el Vz de dic ho diodo est entre,...--__ V Y V.

3. La corriente de un diodo Zener de 1 W y 10 V debe li-mitarse a un valor mximo de A .

4. Un diod o Zener de 20 Va l W conectado como regu -lador de voltaje en el circui to de la figura 2-3 produ -ce en la carga un voltaje de salida de V(aprox imadamenre) .

5. En el circu ito de la preg unta 4, VAA. es igual a 30 V. Irvale 0.05 A, Y e l va lor de Rs que permite el funciona-miento como regulador es de n.

Responda las siguientes pre guntas par a eva luar su apren-dizaje .

......... ....................................................

CARA C TERis TICAS DEL D IODO ZEN E R 13

(2.4 )

(2.2 )

(2.3 )

(2.1)

v' = lo' =Rs 333

Wz = V X lz= 10 x 25 X 10- 3= 250 mW

w:

1. Un diodo Zener mantiene un voltaj e COJlslall1e Vz ensu salida si est inversamente polarizado y func ionasegn sus caractersticas especi ficadas.

2. Cuando el diodo funciona en su voltaje Zcner, Vz- loscambios mn imos de voltaje en el diodo producencambios de co rriente ms o menos grandes, I z' en eldiodo.

3. Las especificaciones de los diodos Zener inc luyen:a) voltaje Zc ncr, V;.:, b ) intervalo de tolerancia del Vz,e) Hmites de la co rriente Zc ncr. ti) mxima disipa cinde e nergra y e) m ximu temperatura de operaci n.

4. Hay diodos Zc ner que producen voltajes entre uno yvarios cientos de volts .

5. Los diodos Zenc r se utilizan como reguladores de vol-taje y tambi n ltlm(~ patrn de referencia de voltaje.

De nuevo una buena prctica de ingeniera recom iendasobredimensionar el diodo. por lo que bastar un diodo de500 mW.

y

R = 20 - 10 = 3330s 30 X 10- 3

Las buenas prcticas de ingenie ra recomiendan sobre-dimensionar el resistor. Por 10 tanto. se utilizar un resstorde 330 n :!: 5% a l W.

El "ataje del diodo se calc ula a partir de la cor riente m-xima. Iz' que requiere el circu ito. En nuestro problema elvalor mximo de l z = 25 roA (cuando 'L= 5 mAl. Por lotanto, el vataje mnimo Wz es

Para calcular el vataje de Rs note que en esta resisten-cia hay una cada de voltaje de 10 V. Por lo tanto

Al sustituir en la ecuacin (2.2) los valores VAA = 20 V... = lOc /T = 30 X 10-

3 A. se obtiene que :

66

6

6

6

6

r

........ .. .. .. ... ..... ...

so V" [,mA Rz. 5

10

20

30

40

50

anera que la corr iente delel voltaje VAS del diodo yule Rz y anote su valor en

s los va lores de corrien-ctivos de VAS 'y Rz en la

orriente:........................... :alimentacin al circu ito.

de alimentacin en O V.o en el circuito.

!tab la 2-2 la corriente di-e l de voltaje VAS en la ta-recta RF = VABfl k. Anotee las tablas 2- 1 y 2-2, tra- Ia gr fica de:j c vert ical) en func in de l

ificada de la corriente de lltaje dentro de la regi n

.3 0.4 0.5 06 0.7

I

Fa

l. mA

Paso 8 VAS : O 0.1 0.2 O

TABLA 22 . Polarizacindirecta

RF

5. Ajus te el valor de V AA de mdiodo 1 sea de 2 mA. Midaantelo en la tabla 2-1. Calcla tabla 2-1.

6. Re pi ta el paso 5 para todote y anote los valores respetabla 2- 1.

Caractersticas voltaje-cpolarizacin directa .. ..

7. Abra S interrump iendo laPonga la salida de la fuenteInvierta la posicin del diod

8. Cie rre S. Mida y anote en larecta del diodo para cada nivbla. Calcule la resistencia dilos resultados en la tabla 2-2

9. Con base en los resultados dce en papel cuadricu lado una) La corriente del diodo (e

voltaje de l diodo .b) Dibuje una grfica amp l

diodo en funcin del voZener.

DMM

A

B+

IOVI W

R

M

sooc (5 W j

s

+

1. Arm e el circuito de la figur a 2-4. El interruptor S estab ierto . VM es una fuen te de alimentacin regulada ,calibrad a a O V. M es un multmetro de 20 000 fllVcalibrado en el rango de la co rriente ms baja.

2. Cierre S. Mida la corriente de l diodo 1,si la hay, con unVM calibrado a OV.Anote los resultados en la tabla 2-1.

3. Ajus te la salida de VM de manera que el voltaje VASmedido en el diodo sea de 2.0 V. Mida la corrien te deldiodo. Anote los resu ltados en la tabla 2-1.

4. Repita el paso 3 por cada valor de VAS que aparezca enla tabla 2-1. Cambie el intervalo de M seg n se requie-ra. Calcule la resistencia Rz del diod o (Rz = VAslf) yanote los resu ltados obtenidos en la tabla 2- 1.

PROCEDIMIENTO

MATERIAL NECES ARIO TABLA 2-1 . Polarizacin inversa

Paso VAB 1, mA RzFuente de alimentac in: fuente de cd regulada variable. Equipo: rnultmetro digital; multmetro; rniliamperfme- 2 0.0

tro; trazador de curvas para la pregunt a de los puntos3 20adicionales.

Re sistores : 3 300 n a 112 W; 500 naS W; resis torcs pa- 4 6.0ra el proced imiento de punt os adicionales.Sem ico nductores : IN3020 (otra opci n: cualquier d iodo 4 7.0Zener dc 10 V Y 1 W).

4 80Otros : interruptor de un po lo un tiro ; caja co n diez rcsis-tores para la pregunta de los puntos ad icionales . 5 2.0

14 E XP E RI ME NT O 2

Caractersticas voltaje-corrriente:polarizacin inversa .

Figura 2-4. Circuito experimental para observarel electo de la po-larizacin inversa en un diodo Zener.

.............. .......... .. ................ .. ................... .. .. ................... .............

L

. .

TABLA 23 Regutacin de voltaje

TABLA 2-4 Caractersticas del diseo de un regulador de voltaje

V" 11, l;~. mA /1, V'"J

10

20

30

Paso V" lb mA Ir. mA V AA

11 V" 20

12 V AS + 0 _1

12 V AS - 0.1.

Puntos ad ic ionales (opcional)13. Disee un circuito regu lador con una fuen te de voltaje

co nsta nte . v,\,\. y un diodo Zcncr cuyas caractersticasvolt aje-cor rie nte haya de terminado de manera experi-men ta l. Se necesi ta que el regulador mantenga un vol-taje ? e salida cons tante. V,ol' den tro de 0.2 V del valorpromedio V".I' y para corrientes de carga en un inter-va lo de 10 a 30 m A. Dibuje un ci rcu ito que muestrelos valores de todos los componentes y voltajes. Ex-plique cmo obtuvo estos valores.

14 . Pruebe el circui to y anote las medicio nes e n la ta-bla 2-4. Como carg a var iable utilice una caja de d iezres iste ncias.

15. Co n un trazado r de curvas o bse rve las caracterst i-cas de vo ltaje -corriente del diodo Zc ncr. Fotografeo dibuje la cu rva en el mismo papel c uadriculadodel paso 9 .

Arme el circuito de la figura 2-5. El interrupt or S es-t abierto. La salida de la fuente de alimentaci n Fues igua l a O V M es el miliampcrmctro calibrado pa-ra el intervalo de 100 mA.Cierre S. Aumen te poco a poco el vo ltaje de alime n-tacin F u bast a que la corriente Iz del diodo d unalectura de 20 mA. Mida el voltaje de al imen tac i n V, ..\y e! voltaje VIS en la carga . Anote los result ados en latabla 2-3. Mida la corriente tota l/r" Anote los resulta-dos en la tabla 2-3.Calcule el intervalo de variacin de VA l! en el cual V ASes constante dentro de ::!::: 0. 1 V de su valor en el pasoll. M ida la variacin de Iz e I r dentro de este interva-lo ; anote los resu ltados en la tabla 2-3.

e A R A e TE R s T t e A s D EL D I O [) o Z E N E R 15

e) Dibuje la grfi ca de la resistencia del d iodo e nfuncin del vo ltaje , ta nto para la configuracinde polarizacin inversa como la de po la riza -cin d irecta.

, ,

SOOl5Wl

rov>W

+

''' ,"

() M "3.3 ku

"

s +" ,

11 .

El diodo Zener como reguladorde voltaje .10

12.

Figura 2-5. Circu ito del regulador de voltaje del experimento.

L ~ ... _

16 EXPERIMENT O 2

PREGUNTAS

lo Compare la polarizacin de un diodo de unin (expe-rimento 1) con la de un diodo Zener en una aplicacinnormal.

2. Compare la caracterstica de voltaje-corriente de lagrfica del diodo Zener del paso 9a) de este experi-mento con la de la figura 2-2. Explique las diferencias.

3. Qu parte de las caractersticas de un diodo Zener esla ms til en las aplicaciones de regulacin de volea-je? Por qu?

4. a ) Cul es la importancia de la grfica del paso 9b)?b) Cmo se utiliza la grfica del paso 9b) en el di-seo de un regulador que emplea un diodo Zener de10 V?

5. Con base en la tabla 2-3 explique cmo funciona estecircuito regulador.

6. El circuito regulador de la figura 2-5 permite com-pensar los cambios en el voltaje de entrada, V"'" ascomo los de la corriente de carga, /L? Explique.

EX PERIM ENT O f3)LOCALIZACiN DE FALLAS EN

UN REGULADOR ZENER

INFORMACiN BSICA o

Existen mtodos para ayudar altcnico a de tectar problemas en un circuitoelectrnico que siguen uno de dos procesos b sicos. Los dos procedi mien-tos requieren conocimientos previos de qu se espera de un circuito. Sloconociendo los parmetros del funcionamiento cor recto de un circuito sepuede determinar si hay un problema y. de ser as , en qu cons iste.

Un procedim iento para localizar fallas. conocido como seguimiento deu /jales, cons iste en inyectar una sea l () voltaje en la entrada y medir las se-atcs. voltajes o cor rien tes del c ircuito de la entrada ala salida, hasta encon-trar un valor incorrecto. El problema se reduce a una componente o partesituadas entre el ltimo valor correcto y el valor incorrecto.

Otro procedimiento tamb in consiste en aplicar una sealo voltaje deentrada; sin em bargo. en este caso las medic iones se realizan desde la sali-da. y se retrocede hada la entrada hasta encontrar el primer valo r correcto .El problema se loca liza ent re la ltima lectura incorrecta y el primer valorcorrecto.

Circuito regulador Zener .

La figura )- 1 muestra un circuito con diodo Zener que se utiliza para mos-trar los dos mtodos de localizacin de fallas . Este circu ito consiste en unvclteje fuen te de entrada VAA conectado entre una lnea de referencia comno tierra GlIJO, y un diodo rectificado r de silicio. O,. El resistor Rs es un re-

18 E X P E R M E N T O J

Figura 3-1. Circuito del diodo Zener.

sistor limitador en serie que absorbe la diferencia de volta-je entre el nodo de Oj , y el voltaje generado en la combi -nacin en paralelo del d iodo Zcncr O2 y la resistencia decarga RL .

El diodo Zcncr regula el voltaje de RL en 10 v. Con unafuente de voltaje de 25 V. la diferencia de 15 V que hay entreVAA y V,al se aplica en D I y Rs. Los puntos de voltaje A, Bye se miden en los pun tos sealados en e! c ircuito respec toaGND.

Condiciones inicia les

Para establecer si hay algn problema en este circui to es ne-cesario conocer los valores correctos de voltaje y corrientedel circuito. Una vez dete rminados, se pueden comparar conlecturas futuras y detectar diferencias para resolver prob le-mas en el circuito.

Los valores iniciales de s, Y de RL son ambos 10 k1, YVAA se establece en 25 V. VA> el voltaje que est en el volta-je fuente vale 25 V, como era de esperarse. Tambin. comose esperaba, el voltaje que se mide en el punto e (Ve' voltajea travs de RJ es 10 V, dado que D2 tiene que mantener elvoltaje de la carga en ese valor. Obse rve que los dos voltajesmedidos cn los puntos A y e ocasionan que la polar izac inde D I sea directa puesto que el voltaje VAes ms positivo queVc. Para ca lcular el voltaje de Vn util ice la segu nda aproxi-maci n de un diodo (0.7 V)

VA - 0.7 V = VR25 - 0.7 = 24.3 V

Para resumir, lo- punto s de los voltajes crticos de! cir-cuito son: VA = 25 V, v, = 24.3 V Y V, = 10 V

Anlisis de los proble mas ,le un circ uit o

Para ejemplificar la aplic acin del mtodo de seguimientode seales a fin de localiza r fallas de este circuito, supongaque los valores de Rs YRL se elig ieron ce manera incorrcc-

tao En este an lisis, Rs es igual a 100 k1 Y RL a 1 in. Laprimera vez que se activa el circuito el voltaje en Vsal midemenos que medio vott. lo cual indica que hay un problemaen el circui to. Si se usa el mtodo de seguimiento de sea-les, primero se mide el voltaje VA . Se Ice 25 V, que es co-rrecto. A continuacin se lee el voltaje en Vil' cuyo valor es de24 .3 V, tambin correc to. Por ltimo, se mide Ve- cuyo valores de 0.24 V.

La ltima lectura cuyo valor fue correcto es en VB y e lprimer valor incorrecto es el de Vc. Esto indica que es muyprobable que el problema est entre VB y Vc. Note que la di-ficultad tambin podra originarse por efecto del circuito deearga (RL en este caso). Una vez aislada el rea del circuitoen donde se localiza el problema, deben realizarse otras prue-bas para determinar cul es el problema real.

Con la fuente de alimentacin apagada, se conecta unhmetro para medir Rs Ydeterminar si su valor es incorrec -to (lo que ocurre en este ejemplo) . Rs se cambia a 10 k1 Yse vuelve a probar el circuito verificando V"'I. Esta vez, lalectura de V'. I es 2.2 V. En las medic iones anteriores se de-termin que los valores de VA y Vn eran correc tos antes decamb iar Rs. Es recomendable volver a verificar que la ltimalectura que se sabe que es correcta, todava lo sea. Esto con-firmar que el reemplazo de Rs se hizo bien y que no creun nuevo problema. VB de nuevo 24.3 V.

Dado que Rs es la nica componente que hay entre Vil yVe> el problema debe localizarse en las componentes conec-tadas en el pun to C. Para revisar rpido D2, se quita RL y sedeja D2 conectado slo al punto C. Como D2 es un diodoZener de 10 V, si todo est bien, [a salida deber aume ntarde inmediato a 10 V. De no ser as, la lectura ser un valordiferente.

La medic in de Vsal despus de quitar RL produce 10 V,lo que indica que D2 est bien. Al medir RL con un hmetrose ve que RL vale 1 k!l en vez de 10 k1. Al cambiar RL por10 kfl por fin se ob tiene el valor correcto de Vsal.

Al invertir el proceso anter ior, es decir, empezar por Vc ytomar lecturas en orden inverso, se llega a la misma rea delcircui to que tena -iroble mas. El tipo de procedimiento utili-zado depender e ::: la com plejidad de l circu ito. De cualquierma nera, hab r un flujo de seal en el circui to, que puede se-guirse desd e la entrada o la salida para lomar las medicio-nes en direccin al extremo opuesto.

RESUMEN

1. Es necesario conocer el desempeo de un circuito pa-ra determ inar si su funcionamiento es correcto.

2. El seguimiento de seales es un procedimiento paralocalizar fallas y consiste en aplicar una seal de entra-da adecuada y probar diversos puntos de un circuitohasta deter minar en dnde est el prob lema.

LO C A LI Z A CiN DE FALLAS EN UN REG UL ADO R Z EN ER 19

3. Las reas en donde puede haber problema se red uce na la porcin e ntre la ltima med icin correc ta y la pri-mera incorrecta. o a un circ uito o componente conecta-do co n el punto donde: se obtuvo la primera medicinincorrecta.

4. Una vez loca lizada e l rea del problema. se requ ierenms pruebas hasta descubrir el problema real . o la co m-ponente defectuosa.

AUTO EVALUACiN. ....... ... .... .. ... .. .. .. .. .. .. .. .

Evale su aprendizaje respond iendo a las sigui en tes pre-guntas.

l. Cul de las componentes de la figura 3-1 tiene mayorprobabilidad de estar si el valor del voltaje VB es O VYel de VA es 25 V?

2. El voltaje Vsol es de un poco ms de 12 V. El voltajede VB es correc to y el vo ltaje de Vccs 12.2 V. En quconsis te el problema?

3. El valor de VA' Va YVe es de 24 V cada uno. Tanto Rscomo RL miden 10 kW. C ul es el prob lema ?

4. El valor de VA es 25 V, VlI vale 15 V Y Ve vale 0.7 V.Qu est mal e n es te c ircuito?

2 0 E X P E R I ME NTO 3

PROCEDIMIENTO................................................ .. ...........................................................................

MAT ERIAL NEC ESARIO

Puente de alimentacin; fuente de cd regulada y variableEquipo: multm etro dig ital.Resistores : dos cajas de diez ress tores.Semiconductores: un diodo rectificador de silicio lN34A;un diodo Zener de 10 V. 1 W. IN3020.

Diversos: un interru ptor de un polo y un ti ro.

Parmetros del circ uito .. ....... .. .... .. ..

1. Arme el circuit o mostrado en la figura 3-2. El valor deRs Y de R(.es de IO kO .

2. Ponga la fuent e de voltaje VAA a 25 V. Calcule los va-lores esperados para el voltaje en los puntos A. B YC.Anote los resu ltados de estos clc ulos en la tabla 3- 1.en la hoja de datos que est al final de este experi-mento.

3. Mida y anote los voltajes VA' VBy Ve en la tab la 3- 1.Expliq ue la razn de las discre pancias entre lo quecalcul en el paso 2 y las med iciones ob ten idas en elpaso 3.

Efectos de los cambios en la resistenciade carga ...... ...... ......... ..

4. Los diodos Zener estn diseados para"mantener unvoltaje independientemente de los cambios en lasco ndiciones de la carga que se conecta en paralelo conellos. Disminuya el valor de RL hasta que el voltajeV...... sea igual a 9.5 V (5% del valor del voltaje nomi-na l de D2) . Anote el valor de Re. en la tab la 3-2.

5. Qu sucedera co n V..I si RL se abriera? Desco necteuno de los extremos de Re. mida VA' VB y Ve y anote losvalores . Explique los resultados de este paso. Con ba-se en stos. c mo podra delectar el problema de l cir -cu ito abierto?

6. Cmo detectara la presencia de un corto circuito enla sa lida con base en los resultados de l paso S? El vol-taje Ve debe ser Odebido a l co rto circuito (Ve YGNDtienen el mismo potencial). Vuelva a conectar RLy ha-ga en l un co rto c ircuito. Mida la corriente en el cor-to circu ito. Anote el valor en la tabla 3-2. Mida lacorriente en D2 y ano te el valor. Utilice la ley de Ohmpara ex plicar las dos lecturas de corriente obtenidasen este paso .

Efectos de los problemasen D1 Y Rs

Figura 3-2. Circuito del expe rimento con el diodo z ener.

D,A l N34 A 8 n e

R, [/ D,v.... -=-

'"-R,

/ 10 V. l W

TABLA 3-1. Parmetros del circuito

2 2.5

Eli mine el corto c ircuito que hay en RL. Invierta laposicin de D I en e l c ircu ito. Mida el valor de VA'VB y Ve Y ante los en la tabla 3-2 . Explique cmo seutilizan esta s lecturas para dec id ir si el problema es-t en D J llaga co rto ci rc uito slo en DI ' Mida VA' VB y Vey an te los en la tabla 3-2. Exp lique c mo se uti-lizan est as lecturas para sabe r si D I est en cortoc ircuito .El imi ne el corto circuito e invierta la pos ic in deDI para que e l ci rcuito vue lva a su condicin ori-g ina!.Aumente el valor de Rs hasta que el vahaje del puntoe disminuya a 9.5 V (de nuevo 5% del voltaje regula-do nomi nal). Anote el valor de la resistencia Rs en latabla 3-2.

9.

8.

7.

10.

PRECAUCIN: Cuando trabaje esta seccin, cercirese deque el voltaje en VAA (25 V ) no se aplique directamente a D2 Qu pasara co n D2 si se hiciera caso om iso de esta adver-tenc ia y todo el valor de VAA se ap licara a D2?

V,VAVA,Puso

L o e A L I Z A e J N DE FA L L A S E N U N RE G L A D o R Z E N E R 21

.. .......... ....... , .

Efectos de las variaciones en la fuentede alimentacin .

v,v,Paso 16

3. Qu ocurre con el valor de la corriente que pasa porRL y por Dzdurante la prueba al disminuir el valor de Rs?

4. Qu suceder con el tiempo al diodo Zenerde! circui-to de prueba si VAA aumenta demas iado? Cul de lasespecificaciones del Zener es la que se rebasa?

TABLA 3-3. Problema del circuito- -

13. Otro problema posible de este circuito es la variacinde los valores de la fuente de alimen tacin que se de-tectan midiendo el voltaje en el punto A. Algunos pro-blemas son obvios, y otros no. La interrupci n total delsuministro de la fuen te produce O Ven los tres puntosde voltaje.

14. Suponga que Rses igual a 10 kfl. Disminuya VAA has-ta que el voltaje de V'a1 sea 9.5 V. Anote e! valor de VAen la tabla 3-2. Med iante la ley de Ohm explique porqu el voltaje de VAA produjo 9.5 Ven V,al'

15. Aumen te poco a poco VAA hasta que el voltaje Vsa l seaigual a 10.5 V. Mida el valor de VA y antelo en la ta-bla 3-2. Red uzca de inmed iato VAA a 25 V despus deesta lectura. Qu ocurrira con D2si se aumentara anms el valor de! voltaje de la fuente?

16. Regrese el circuito a su condicin original. Pida a ayu-da para introducir a propsit o un problema en el cir-cuito. Mida los tres voltajes de A, B y C. Ante los enla tabla 3-3. Compare estos valores con los que anoten las tablas 3- 1 y 32. A partir de estos valores , deter-mine cul es la falla en su circuito. Explique s~ eva-luacin y corr ija el circuito .

1. En el circuito de prueba, cmo se detec ta un proble-ma relacionado con un circu ito abierto?

2. Use la ley de Ohm para explicar las dos lecturas decorriente del paso 6. Cmo cre el corto estas dos co-rrientes?

TABLA 32. Resultados de las caractersticas del problema

11. Si Rs se abre, no llega corriente a RL ni a D 2 y el vol-taje V,al es igual a O. Qu sucede si se cortocircuitaRs? No haga corto circuito con Rs: [recuerde la notade PRECA UCIN! Conforme Rs disminuye, D 2 inten-tar mantener el voltaje Vsa l igual a 10 V. Qu ocurrecon e! valor de la corr iente que circula en RE.. y D2 aldiminu ir el valor de Rs?

12. Reduzca el valor de e, a 5 kn . Mida el valor de VA' VBy Ve- y la corriente que pasa por RL (lE.. ) y D2 (1m) yantelos en la tabla 3-2.

v" Vo R" R"Paso Problema V V, V kD kll 1, 1m

4 RL cambia 25 9.5 10 X X5 RL se abre 10 X X6 RL encortocircuito 25 O O 107 DI invertido 10 10 X X8 DJ en corto circuito 10 10 X X

10 Rs aumenta 25 95 10 X X12 Rs disminuye 25 10 514 VAA disminuye 9.5 10 10 X X15 VAA aumenta 10.5 10 10 X X

PREGUN TA S

DISPOSITIVOS OPTOELECTRNICOS

EXPER IMENTO

INFORMACiN BSICA

El sentido de la vista es e l que ms utilizamos. Por ello, cuando se mencio-nan dispos itivos capaces de transformar la luz en electricidad, nuestra ima-ginacin remonta e l vuelo. La optoelectrnica es una tecnologa quecombina la ptica y la e lectrnica. A este interesante campo pertenecen losdiodos emisores de luz (LEO, light emitting diode), las pantallas o displaysde LED y los optoacopl adores .

LED

El diodo emisor de luz (LEO) es una fuente luminosa de estado slido. LosLED han reemplazado a los focos en diversas aplicaciones debido a las si-guientes ventajas:

1. Consumen poco voltaje2. Su vida til es muy larga (ms de 20 aos)3. Su tiempo de conmutaci n es muy breve (nanoseg undos, os)

En los diodos rectifica dores de polarizacin directa, los electrones libresy los huecos se recombinan en la unin. Cuando un electrn libre cae en unhueco. desc iende de un nive l de energa mayor a uno menor. Conforme es-to sucede. el electr n radia energa en form a de calor y luz. Como el silicioes opaco (no es transparente) , no existe la posibilidad de que la luz irradieal exterior.

24 E X P E R I ME NTO ':

100 n

NODO"/CTODO

=

Figu ra 4.1 . LED polarizado directamente.

El caso del LED es diferente. En primer lugar, al fabri-carlo se utilizan materiales semitranspare ntes en vez de si-licio y en un LED con polarizacin directa. se irradia calory luz cuando los electrones libres y los huecos se recombi -nan en la unin .

Como el material es semitransparente. parte de la luz seirradia al medio externo. El smbolo esquemtico de un LEDse muestra en la figura 4- 1.

Mediante elementos tales como el galio . el arsnico y elfsforo. se producen LED que radian luz roja. verde. ama-rilla. mbar o infrarroja (invisible) . Los LED que producenradiacin visible se utilizan en pantallas de instrume ntos,calculadoras y relojes digitales. El LED infrarrojo se utilizaen sistemas contra robo y en otras reas que requieren ra-diacin invisible.

La cada de voltaje caracterstica de los LED es de 1.5 a2.5 V para corrientes entre 10 y 40 mA. La cada de voltajeexacta depender del colo r, tolerancia y otros factores . Pararealizar un anlisis y diseo preliminares recurriremos a lasegunda aproximacin de un diodo con una tensin mnimade activacen de 2 V.

El valor de la especificacin del voltaje inverso es baja;por eje mplo. e l TIL22 l (un LED rojo que se utilizar en es-te experimento) tiene un valor de voltaje inverso mximo de3 V. Es dec ir. si por accidente se aplica un voltaje Inversomayor a 3 V se podrran destruir o degradar las caracterfsti-cas del LED. Una manera de proteger un LED es conectaren paralelo un diodo rectific ador. como el de la figura 4-2.El voltaje de barrera del diodo rect ificador de 0.7 V evitaque el voltaje inverso del LED rebase este valor.

'5 V

00 l!

Figura 42. Proteccin de un LEDcontra polarizac in inversa.

A

-

'/ /.G VI' Ir/,/ ,VI , /,VI' Ir!-- ~,/- /e A ,

O

'"~I .

FIgura 4-3. al Ir'k:icdor de s iete segmentos; b) diagrama esque-matico.

Co nfiguraciones de LED

Una configuracin de LED es un grupo de LED que des-pliega nmeros, letras y otros smbolos; la ms comn es lapantalla de siete segmentos de la figura 4- 3a). La pantallatiene siete LED rec tangulares (de la A a la G) y cada uno dese llama segmellto porqu e forma parte del carcter presen-tado en la pantalla.

La figura 43b) muestra el diagrama esquem nco. dondeun voltaje positivo alimenta todos los nodos. Al aterrizar conuna resistencia limitadora de corr iente uno o varios ctodosse pueden formar dgitos de O a 9. as como la mayora delas letras del alfabeto y algunos signos de puntuacin. Porejemp lo, si se aterrizan los ctodos de A, B Ye,aparece un 7en la figura 4-3a). O bien, si se aterrizan los c todos de A, B,e.D yG, se obt iene un 3. Tamb in hay arreglos de sie te seg-mentos que tienen configuracin de ctodo comn . en la cualse utilizan voltaje s de nodo para act ivar los segmen tos.

Fotodiodos .

La corriente de un diodo con polarizacin inversa es peque~a deb ido a sus portadores minoritarios. La cantidad de s-tos depender de la tempe ratura y de la luz que incida en launin. Cuando la base de un diodo es opaca, la luz externano llega a la unin; por lo tanto, no se detecta ningn efec-to fo toelctrico (transformacin de la luz en electric idad).En cam bio. si la base del diodo es de vidrio. la luz que en-tra modifica la cantidad de corriente inversa .

Los foradioelos son ptimos por su sensibilidad a la luz.En estos diodos. una ventana de vidrio permite que la luz pa-se a travs de la base y llegue a la unin. La luz incidenteproduce electrones libres y huecos; es decir. la luz aumentala cantidad de portadores minoritarios. Cuan to ms intensasea la luz. mayor ser la cantidad de portadores minoritariosproducidos.

En la figura 4-4 se muestra el smbolo esquemtico deun fotod iodo; las flechas que entran representan la luz queincide. Observe tambin que la polarizacin del fotodiodoes inversa. De esta manera, si la intensidad luminosa au-

Figura~. Fotodiodo con polarizacin inversa.

En un LEO polarizado directamente, se irradia luz cuan-do los electrones libres y los huecos se _en la unin.Es caracterstico que la cada de voltaje de los LED seade 1.5 a 2.5 V para una corr iente de 10.1 _mA.La config uracin ms co mn del LEO es e l indicadorde -,--_ -,--_ .El fotod iodo se optimiza por su se nsibilidad a::- . Oebe polarizarse ~Un op toacop lador conjunta un y un foto-detector.La princ ipal ve ntaja del optoacoplador es su___ _ elctrico.

6.

l.

4.

3.

AUTO EVALUACiN...................................

D IS P O SI TI V O S O PTOE L E C T R N I C O S 25

1. En un LEO los electrones libres y los huecos se te-co mbina n en la unin . para producir calor y luz. Co-mo se utilizan materiales semitransparentes, parte dela luz irrad ia al exterior.

2. Con e l uso de diversos materiales. un fabricante pue-de producir LEO que emiten luz roja. verde . ama rillae infrarroja.

3. El voltaje tp ico en un LEO es de 1.5 a 2.5 V. con co-rrientes de 10 a 40 roA.

4. Las ventajas de los LED son bajo voltaje. larga du ra-ci n y rpida co nmutacin entre el encendido y elapagado.

5. La co nfiguracin ms co mn de lEO es el ind icadorde siete segmentos. pues perm ite desplegar nme rosde Oa 9. as co mo algun as letr as del alfabeto.

6. Un fotodiodo se optimiza por su sensibilidad a la luz.En este tipo de diodo. la luz pasa por la unin y don-de produce e lectrones lib res y huecos. Cuanto mayorsea la intens idad luminosa, mayor ser la corrienteinversa.

7. Un optoacoplado r co nj unta en una misma base. unlEO y un fctode tector. En un acoplador de LED o fo-todiodo. la luz del LEO controla la corriente inversade l fotod iodo . Por ello, los circuitos de en trada y desalida estn aislados elctricamente.

5.

Responda las sigu ien tes preguntas para evaluar su apren -d izaje.

RESUMEN

. .... .. .. .. ...... .. .. ... ....... .. . .. . ..

(4. 1)

-=- Vu

R,

-

Figura 4-5. Circuito cceeecceoce,

Este voltaje de salida depende r de la magn itud de la co-rriente inversa. S i se modifica el voltaje que alimenta al LEO,varan la intensidad luminosa , la corri ente del fotodiodo y,en consec uencia. VSal' S i la corriente del LEO tiene una va-riacin de ca , V.. I tendr la misma variacin de ca.

La principal ventaja del op toacoplador es el ais lamientoelctrico entre el ci rcuito del LEO Yel circuito del fotodiodo;es comn que la resistencia en tre el circuito de entrada y elde salida sea mayor a los 1010 n.Por ello , el optoacoplado rtambin se conoce como "optoaislador"; el nico conta cto en-tre los circu itos de en trada y de salida es el haz luminoso .

Un oproacoplador combina, en una misma base, un LEO yun fotodetector. La figura 4-5 mues tra un acoplador forma-do por un LEO y un fotodiodo: el primero est a la izqu ier-da y el segundo. a la derecha. El voltaje que ali menta alLED fuerza la circulacin de la corr iente a travs del LEO.La luz que ste em ite incide en el fotod iodo y crea una co-rriente inversa que pasa por el resistor Rz El va haje del fo-todiodo es

Optoacopladores .... ....... ... ... .. ...... ... .....

menta, la corriente inversa se incrementa. sta es peque a.en general. unas decen as de microampcrs.

El fotodiodo es un ejemplo de fotodelt!cror, dispositivocapaz de convertir la luz que incide en electri cidad. (O trosfotoderectores so n las fotorresistencias, los fotutransistoresy los fcto-Darlingtons.)

26 EXPER IM E NTO "

PROCEDIMIENTO..... .. ................................................................ .. .............. .. ...... .. .. .. .... .......... ..........

MATERI AL NECESARIO TABLA 4-1. Datos del LEO

Dos fuen tes de alim entaci n: una de 15 V Yotra ajusta-ble. de 1 a 15 V por lo menos.Equipo: multmetr o d igital, multmetro .Resistorcs: dos de 270 l a 1 W.Diodo: lN914 (o un diodo de pequea seal equ ivalente).LED rojo: TI L22 1 (airas opciones: Litronix RL-2000. ocualquier otro LED rojo capaz de soportar hasta 40 rttA].LED verde: TlL222 (otras opc iones: cualquie r LED ver-de capaz de soportar hasta 50 mAl .Pan talla de siete segmentos: TI L3 12 (o su equivalentems cerca no) .Op toacop lador : 4N26 (o su equivalente ms cercano).

1, mA V.-ojo V V_ V.

10

20

30

40

Datos para el LEO roj o .... .. .. .... .. .... .. .. .. .

7. La figura 4-7a ) muestra las co nexio nes de la pantallade siete segmentos que se utiliza en este experimento(vista superior). Cue nta con pu nto decimal a la iz-qu ierd a (L DP, left decimal poim ) y punto decimal a laderecha (RDP. riglu decimal point). Arme e l ci rcuitode la figura 4-7b) .

8. La figura 4--7c) muestra el d iagrama esq ue mtico deT1L3 12. (Si emplea un com ponente distinto. su ins-tructor le proporcionar un d iagrama con los nmerosde conexin correc ros.) Aterr ice las co nexiones 1, 10y-13. S i el ci rcui to trabaja correctamente, aparecer eld gito 7.

9. Desconecte la tierra de las conexio nes l . 10 Y 13.10. Observe las figuras 4-7a ) y e). ,Qu conexiones hay

que ate rrizar para que aparezca un O'! Aterrice estasconex iones y si el ci rcuito funciona correctamen te.ano te los nmeros en la tabla 4-2.

11. Repita e l paso 10 para los dgitos que fal tan , de 1 a 9,y para los puntos decimales.

Datos para un LEO verde ...... .. ... ...... ....5. En el ci rcuito de la figura 4-6 , cambie el LEO rojo por

el verde .. Rep ita los pasos 3 y 4 para el LE O verde.

Uso de una panta lla desiete segmentos .. ... .. ....... .. ......

v-;;.T1L221l N91 4

270 n

Rev ise el LED rojo. Observe que un lado de la basetiene un ex tremo plano. Aqu se encue ntra el ctodo.(En muchos LEO la co nexin dcl ctodo cs ligera-men te ms cor ta que la del nodo. sta es otra mane-ra de identificar al c todo.)Arme e l ci rcuito de la figu ra 4-6 utilizando un LEOrojo. El multmetro se conecta como ampermetro pa-ra medir la co rriente del LEO. El voltmetro mide elvoltaje del LEO . El IN914 protege al LEO co ntra laaplicacin accidental de un volt aje inverso.Ajuste el voltaje de la fuen te, Vs' de manera q ue haya10 mA en el LEO. Ano te la lectura de l vo ltaje de lLED en la tabla 4-1.Ajuste el vo ltaje de la fuente hasta obtener las corrien-tes restantes de la tabla 4- 1. Anote cada voltaje de losLEO.

,-~VV\~-:-lA }--...--..------,

1.

2.

3.

4.

v,

Figura 4-6 . Circuito para los datos de un LEO.

L

270 n

270n

5

,

4N26

2

'O)

l.'2

RO'

O

lN 9 14

l N9 14

270 n

8 V

DIS POSI TIV OS O P T O E LECT RN I CO S 2 7

270n

~,

Figu ra 4-8. s) Circuito de un op toaco plador; b) crcuno con fuentesenoidaL

13. Repita el paso 12 para los vol tajes de la fue nte de ali -mentacin indicados en la tabla 4-3.

14. Trace la grfica de transfere ncia. VuI_ e n funcin deVs, del optoacoplador con los datos de la tabla 4-3 enla grfica 4-1.

5 V

v,

,,'

=

"ra

"10O8

A

3

f. A O f. C O f. E F f. G

,"

to 8 7 2"

~,

LO'

2

3

7

Pantalla Terminales aterrizada s

O

I

2

J

4

5

6

7

8

9

LO P

RDP

Figura 4-7. a) Terminales del TIL312; b) circuito deI 1ll312; el diagrama esquem tico.

TABLA 4-2. Indicador de siete segmentos

Grfica de la transferencia de unopto acoplador .

12. Arme e l c ircu ito de la fig ura 4-Sa). Aj us te la fuentede vol taje a 2 V. Mida y anote el vo ltaje de sa lida (la -bIa 4-4 ).

28 EXPERIMENT O 4

TABLA 4-3. Optoacopador

Vs. V V~ V

2

4

6

g

10

12

14

PREGUNTAS

1. Cul es la cada de voltaje en el LED rojo cuando lacorriente es de 30 mA?

2. Comente cualquier cambio en la brillantez del LEDconforme vara la corriente que pasa por l.

3. Suponga que invierte el voltaje de la fuente de la figu-ra 4-6. Si Vs = -15 V, aproximadamente qu volta-je est presente en el LED? Exp lique de qu maneraprotege el diodo de silicio al LED.

4. Cul es la cada de voltaje en el LED verde cuandola corriente es 30 mA? Comprela con el voltaje delLED rojo para la misma corriente.

5. Suponga que en la figura 4-7b) se trata de desplegarun 8. Si la cada de voltaje entre la terminal 3 y la tie-rra es de 1.6 V, cunta corriente hay en el resistor de270 il?

..

ra

io

e a

"6

,

a

o

V' aI(V}

Grfica 4-1. Optoacoplador.

6. Si en todos los LED de la pregunta 5 circula la mismacomente, cunta corriente utiliza un solo LEO?

7. Qu letras de la palabra ' 'CATNAP'' no aparece n co-rrectamente? Suponga que tanto las letras maysculascomo las minsculas son aceptables

8. El indicador de siete segmentos despliega el 1con msbrillo que el 8. Explique la razn.

9. Cmo se puede redisear el circuito de manera queel 1 Yel 8 tengan el mismo brillo?

lO. Por qu se utiliza el lN914 en la figura 4-8a)?11. Cunto vara el voltaje de salida en la figura 4-8a)

cuando la fuente de alimentacin cambia de 4 a 6 V?12. Suponga que la fuente senoidal de la figura 4-gb) tie-

ne un valor pico a pico de 4 V. Describa el voltaje desalida, VuI.

EX PE RIME NT O~

OBJETIVOS

L1MITADOR DE DIODO YFIJADOR DE NIVEL DE DIODO

Observar el efecto en laonda de salida de los fi-jadoresde nivelpor dio-do negativo y positivo.

Observar el efecto en laonda de salida de los Ii-mitadores de diodo conpolarizacin d irecta einversa .

Determinar la (elacinentre una entrada tipoonda senoidal y la sali-da en forma de onda de.los limitadoresde"diodoconectados en serie y .en paralelo .

Limitadores de diodos en se rie .

INFORMAC i N BSICA

El comportamiento unidireccional de la corriente de algunos diodos semi-conductores permite que los diodos en serie sirvan como limitudorcs.

Considere cl circuito de la figura S- la ). Con un generador de ca se alimen-ta un voltaje senoidal, 1'"",. a un diodo conectado en serie con un resis tor R.En la figura 5 l b ). el voltaje de entrada, l'c"" Y el voltaje de salida. 1',,11_ semuestran con la fase de tiempo adecuada. Durante el semcc lo positiv o, elctodo del diodo es positivo en relacin con su nodo ; es dec ir. el diod o estpolarizado inversamente. Por III tanto. no hay tlujo de corriente en el ci rcui-to y la. salida v.... en R es Q. Durante el se miciclo negativo. el diodo eSl po-larizado directamente y funciona como un interruptor cerrado que permiteel paso de la corriente en R. El voltaje en R es igual a l semiciclo negativo.menos la cada de voltaje directo del diodo.

En el campo de la elec trnica es frecuente la necesidad de cuadrar los ex-tremos de una seal de ca o de lim itar un voltaje en ca dentro de ciertos ni-veles predeterminados. El dispositivo electrn ico utilizado para esto seconoce como "Iimi tador". Con su ayuda se puede transformar una onda se-ncidal en una onda rectangular; tamb i n se puede limitar el scmicic lo negauve o positivo de un voltaje en ca. o ambos. y tambin se pueden realizarotras tiles funciones de conformac in de onda.

30 E XPER IMENTO 5

D,A + R

'" D,

-r.,, ,.:~,V"IR V.,I D, o(>RR

+ > +T\'.,'C2 ,D ,B , v1

,.,'"

,.,'"

Figura 5-1. Diodo semiconductor utilizado para limitar e: semiciclopositivo de una seal de ca.

Figura 5-3. Diodo conectado en parale lo que se usa para limitar elsemiciclo neqativo.

Este sencillo circuito constituye un limirador en seriepositivo; es "posi tivo" debido a que el semiciclo positivoest limitado o fue eliminado de la salida. Se llama "limita-dar en ser ie" porque la salida obtenida en el resistor de car-ga R est cn serie con el diodo.

La figura 5-2a) muest ra que el diodo conectado en serietambin se puede usar como lirnitador negativo si se invier-te la polaridad del diodo en el circuito. Las ondas de la fi-gura 5-2b) muestran que durante el semiciclc positivo eldiodo tiene polar izacin directa, y permite que la corr ientefluya en R. El voltaje presente en R es positivo, y sigue a lossemiciclos de entrada. De nuevo hay una cada de voltaj e enel diodo . Durante el semiciclo negativo el diodo tiene pola-rizacin negat iva. No hay corr iente. Por lo tanto, tampocohay voltaje en R. Es decir, el diodo conectado en serie de lafigura 5-2 es un \imitador negativo.

Durante el semiciclo positivo, la polarizacin del diodoD I es inversa y tiene una elevada resistenc ia inversa, RR. RYRRforman un divisor de voltaje. Si R es mucho menor queRR' prcticamente todo el semic iclo positivo aparece comovoltaje de salida, v'al. en el diodo (figura 5-3b).

Durante el semiciclo negativo, D I est polarizado direc-tamente. El diodo se comporta como un interruptor cerrado.Es deci r, el diodo conductor se comporta de manera idealcomo si fuera un corto circuito. Por 10tanto, en el diodo noaparece ningn voltaj e, como en la figura 5-3b).

Puesto que el scmicicln negativo fue eliminado (limitado)de la salida, la figura 5-3a) es un ejemp lo de un limitadornegativo.

Invirtiendo la polaridad del diodo, el limitador de diodoen paralelo de la figura 5-4 sirve para eliminar el semic iclopositivo.

Limitadores en paralelo polarizados: limitacin parcial

Lim itadores de diodos en paralelo .El circuito de la figura 5-3a) es un ejemplo de un limitadorde diodo conectado en paralel o. Se llama limitador en para-lelo dado que la salida est en paralelo con el diodo .

El circui to de la figura 5-5 logra un lmite parcial de los se-miciclos nega tivo y posit ivo respecti vos de una onda seno-dal de entrada.

El diodo Dde la figura 5-5 est polarizado inversamen-te con la batera VA..\.' la cual mantiene el voltaje del nodo

'"

VI ----, - - ,

,.,

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D,

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Figura 52. Diodo conectado en serie que se usa para limitar el se-miciclo negativo de una seal de ca.

Figura 5-4. Diodo conectado en paralelo que se usa para limitar elsemic iclo positivo.

oLimltadores de doble d iodo pelartzadcs

En la figura 5-60) se muestran dos limitadores de"diodo po-larizados conectados (en paralelo) de manera que el circui-to se comporta co mo !imitador parcial, tanto del semiciclopositivo como del negat ivo. El d iodo DI co nduce cuando elva haje v_ alcanza un valor negativo mayor que VKK I y limi-ta el scmi cicl o negativo al va lor de VKKI' El diodo O2con-duce cuando vetll alcanza un valor positi vo mayor que VM 2'con lo cual limita e l semiciclo posi tivo al valor VM2'

Puede observarse en la ond a de la figu ra 56b ) quc elcircuito de la figura 5-00) co nvirti una onda senoida l en unaonda que se aproxima bastante a una onda cuadrada; es de-cir . sc cuad raron los extremos de la onda senoidal.

negativo que el nodo. el diodo conduce . y limita la partedel semcclo negat ivo que se encuentra entre - v,u. Yel picode - v",.

Fijador de nivel mediante diodo - .

El efecto de un fijador de nivel positivo en una for ma deonda de ca O V co mo su eje se puede observar LJl la fig u-ra 5-7. El fija dor de t.ivcl ag reg + 5 V de cd a la onda de10 V pp (pico e pico). El resultad o es que la forma de on-da de e ntrada . que vari e ntre + 5 y - 5 V. apare ce a la saolida del circuito co mo una seal que va ra crurc O )" t-IO V.y su eje esu en + 5 V de cd La onda de salida se compor-ta co mo si se hub ier :.: conectad o una ba tera de +5 Ven

Fij ador de nivel postuvo

Ellimitado r de d iodo o recortador (como se le co noce tam-bin) mod ifica la onda de entrada limitando o " recor tando"pa rle de la onda. Otros c ircuitos de diodo. co nocidos comoIimtadores (o restauradores de cd) no modifican la forma dela onda de e ntrada. sino que le aaden un nivel de cd . Exis-ten fijadores de nivel positi vos . negat ivos y polarizados .

R

e+

lb )

lb '

L 1 M [ T A O O R D E D [ O O O Y F [ J A O O R D E N 1 Y E L D E O I O D O 31

'..

+'tV\;0 - - - - ""\...._ ~ ENTRADA

0,

")

1.1

0,

0,

"

"

Rgura 55. Diodo en para lelo polariZado que limita parcia lmen te elsemiciclonegatiYO.

VAA negativo respecto a su ctodo. Durante el semiciclo po-sitivo del voltaje de entrada , v..... el ctodo de D I se mantie-ne positivo. El diodo acta co mo interrup tor abierto y elsemicclo posi tivo aparece en la salida (figura 5-5b). Duran-te el semicic lo negativo el ctodo se vuelve negativo; sinembargo. e l diodo no conduce sino hasta que v... es ms ne-gativo que el va haje de polarizacin. V,u, el cual mantienenegativo el va haje de l nodo, VAA- Por lo tanto. la parte delsemiciclo negativo que es menos negativa que VM aparece ala salida. Cua ndo el sc miciclo negativo de Ven' alca nza el ni-vel donde es ms negativo que VAA el ctodo se vuelve ms

Figura 5-6. Lim itador de ccore diOdO polarizado.

Figura 5-7. Diagrama del circuito de un fijador de nivel posmvo .

32 E X P E R I M ENTO 5

e+ +

+1:6J\-___ "\",ENTRADA

- 15

Fig ura 5-8. El fijador de nivel negativo aade un eje --ed a la onda.

ENTRADA

Figura 5-9. Fijador de nivel con JXllartzacin negativa.

R

R

o SAUDA

D

+ SAUDA-=- 3 V

:: :~- 17 V --V-V

donde t est en segundos (s) y F es la frecuencia de la ondasenoidal medida en hertz (Hz). Un ejemplo numrico servi-r para ilustrar esta afirmacin. Si la frecuencia de la ondade entrada es 1000 Hz. entonces

Por lo tanto, el producto RC debe ser igual o mayor que10 X 1O~3 s.

La explicacin anterior del circuito debe modificarsepara reflejar el hecho de que en e se pierde un pequeo por-centaje de carga durante el semicclo positivo. En consecuen-cia, el voltaje neto de e no es + 5 V. sino un poco menor.Esta prdida se compensa. durante los picos del semiciclonegativo. cuando el ctodo de D es suficientemente negativopara activar el diodo D. y recargar e hasta su nivel de + 5 V

serie con la entrada. El ci rcuito funciona como sigue: du-rante el semccto negativo de la onda senoidal de entradade 10 V pp. el ctodo del diodo D tiene un valor negativorespecto de su nodo; por 10 tanto. D conduce y carga a ea travs de la resistencia de valor bajo del diodo con pola-rizacin directa.

El capacitar e se carga hasta el valor pico del semiciclonegativo. 5 V. con la polaridad mostrada en la figura 5~7.Durante el semiciclo positivo D est en corte puesto que suctodo es positivo respecto al nodo. Cuando se corta D, elcapacitor e trata de descargarse a travs de R. Sin embargo,si la constante de tiempo Re es grande en comparacin conel periodo de la onda senoidal. el capacitor perder muy po-ca carga y mantendr los 5 V. En consecuencia, cuando llegael semiciclo negativo del segundo ciclo. el voltaje positivode C cancela el voltaje negativo de entrada y el diodo D noconduce.

t = I~ = 1 X 10- 3 segundos (s) (5.3)

NOTA: se considera que una constanJe de tiempo, RC. es gran-de cuando es igualo mayor que diez veces el periodo. l . dela onda de entrada.

Es decir

Re 2: lOt

y1

t= -F

(5.1)

(5.2)

Fijador de nvel negativoUn fijador de nivel negat ivo suma un nivel de cd negativoa una seal de ca. Esto se logra al invertir la polaridad deldiodo, como en el circuito de la figura 5-8. En este circuito.e se carga durante el sermcclo positivo de la seal de en-trada. Si la seal de entrada varia entre +15 y - 15V, elefecto neto es cargar C hasta - 15 V. La onda de salida aho-ra vara entre Oy - 30 V; un multfmetro calibrado en voltsde cd indicar que en la salida hay - 15 V.

L1 MI T A OO R DE D I ODO y f iJ A DO R DE NI V E L D E D I O D O 33

F"~ador de nivel polarizadoLa figura 5-9 muestra un fijador de nivel negativo polarizado.En esre caso, una bateria de 3 V polariza el ctodo a +3 V.Como D no puede conducir hasta que su nodo sea positi-vo en relacin con el ctodo, el diodo debe esperar hastaque el semicclo posi tivo de la entrada aumente a ms de+3 V en el nodo . Entonces el diodo conduce entre los ni-veles de + 3 V y + 10 V de la seal de entrada de la fig u-ra 5-9. En consecuencia. el capac itor e se carga hasta - 7 V.Despus de esta carga inicia l, e l comportamiento del circui-to es similar al de la figura 5-8. El nivel de la onda de sali -da se fija abajo de +3 V (figura 5-9) y vara entre + 3 y- 17V. Es posible hacer otras co nfiguraciones de fijadoresde nivel. por ejemplo. los fijadores con polarizacin positi -va. Su funcionamiento se analiza en la misma forma que ladel fijador de nivel de la figura 5-9.

RESUMEN

1. Un limitadcr de diodo en serie es un circuito en elcual la salida est co nectada en serie con el diodo.

2. Un lirnitador de diodo en paralelo es aqu l en el cua lla salida est conectada en paralelo con el diodo.

3. Un limitador positivo elimina o limita el semiciclo po -sitivo de una onda de salida.

4. Cuando se limita o se elimina el sermctclo negativo deuna onda de salida, el circuito que lo logra se llama limirador negati vo.

5. La limitacin con diodos es posible debido a la bajaresistencia directa y -la elevada res istencia inversa deun diodo.

6. El limitador positivo en para lelo presenta una resisten-cia infinita durante el semiciclo negativo de una onda.

7. Un limitador de diodo polarizado es aqul en el cualse conecta una fuente de polarizacin externa, al no-do o al ctodo de l Iimitador de diodo, como se mues-tra en la f