preparatorio diodos

DEPARTAMENTO DE SISTEMAS ELECTRÓNICOSELECTRÓNICA I

TRABAJO PREPARATORIO LABORATORIO No. 1

Tema de la práctica: CARACTERISTICAS DEL DIODO EN CORRIENTE CONTINUA.

Realizado por: …………………..*

1. Consultar sobre:

1. Como identificar los terminales del Diodo.

Existe gran variedad de diodos por lo general los fabricantes colocan una señal en forma de anillo para señalar el cátodo en el extremo del cuerpo del diodo cercano al terminal del cátodo.Pero para tener una mayor seguridad sobre la polaridad del diodo podemos comprobarlo fácilmente con un óhmetro, ya sea analógico o digital. Para comprobar las terminales del diodo simplemente debemos colocar las puntas de prueba del ohmetro sobre las terminales del diodo y medir la resistencia, si la resistencia que medimos es baja(generalmente entre los 200Ω - 600Ω) el diodo se encuentra en polarización directa y si la resistencia que medimos es alta el diodo se encuentra en polarización inversa, una vez aquí es importante que conozcamos la polaridad de las puntas de nuestro óhmetro, ya que al conectarlas al diodo, si la resistencia es baja la terminal positiva del ohmetro nos indica el ánodo y la terminal negativa del ohmetro nos indica el cátodo, caso contrario si la resistencia medida es alta la terminal positiva del ohmetro nos indica el cátodo y la terminal negativa nos indica el ánodo.

2. Curva característica del diodo.

El diodo es un dispositivo que se usa para permitir el paso de la corriente en un solo sentido, la curva característica del diodo es una representación de la relación voltaje – corriente del comportamiento de un diodo real, Existen algunas maneras de representar a los diodos, la representación ideal, la primera aproximación, la segunda aproximación y la representación ideal.

Diodo Ideal

El diodo ideal posee las siguientes características.

En polarización directa:

I AK=MAXV AK=0RAK=0

En polarización inversa:

I AK=0V AK=V f

RAK=∞

V f [V ] 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,5 2

V d [V ] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

I d[mA ] 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

Rd [ohm ] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 50

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Series2

Axis Title

Axis Title

Primera Aproximación



I AK=MAXV AK=0.7RAK=0

En polarización inversa:

I AK=0V AK=V f

RAK=∞

V f [V ] 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,5 2

V d [V ] 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7

I d[mA ] 0 0 0 0 0 5 5 5 5 5

Rd [ohm ] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.50

1

2

3

4

5

6

Series2

Axis Title

Axis Title

Segunda Aproximación



I AK ≈V f

100V AK=V f

RAK ≈100En polarización inversa:

I AK=0V AK=V f

RAK=∞

V f [V ] 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,5 2

V d [V ] 0 0 0 0 0 0,8 0,9 1 1,5 2

I d[mA ] 0 0 0 0 0 0.001 0.002 0.003 0.008 0.013

Rd [ohm ] 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

-4 -3 -2 -1 0 1 2 30

2

4

6

8

10

12

14

Series2

Voltaje del Diodo

Corr

ient

e de

l Dio

do

Curvatura Característica del Diodo

Como podemos ver en polarización directa para cualquier voltaje menor que el V γ la corriente es igual a cero. En polarización inversa, existe una corriente negativa de valores pequeños.

3. Cinco especificaciones del diodo y defínalas.

Tensión inversa de ruptura

Estudiaremos la hoja de características del diodo 1N4001, un diodo rectificador empleado en fuentes de alimentación (circuitos que convierten una tensión alterna en una tensión continua).

La serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 son siete diodos que tienen las mismas características con polarización directa, pero en polarización inversa sus características son distintas.

Primeramente analizaremos las "Limitaciones máximas" que son estas:

Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento. Lo importante es saber que la tensión de ruptura para el diodo es de 50 V, independientemente de cómo se use

el diodo. Esta ruptura se produce por la avalancha y en el 1N4001 esta ruptura es normalmente destructiva.

Corriente máxima con polarización directa

Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1 A con polarización directa cuando se le emplea como rectificador. Esto es, 1 A es el nivel de corriente con polarización directa para el cual el diodo se quema debido a una disipación excesiva de potencia. Un diseño fiable, con factor de seguridad 1, debe garantizar que la corriente con polarización directa sea menor de 0,5 A en cualquier condición de funcionamiento.

Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos es tanto más corta cuanto más cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por esta razón, algunos diseñadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1, para 1N4001 será de 0,1 A o menos.

Caída de tensión con polarización directa

Estos valores están medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantáneo en la especificación. El 1N4001 tiene una caída de tensión típica con polarización directa de 0,93 V cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la unión es de 25 ºC.

Corriente inversa máxima

En esta tabla esta la corriente con polarización inversa a la tensión continua indicada (50 V para un 1N4001).

Esta corriente inversa incluye la corriente producida térmicamente y la corriente de fugas superficial. De esto deducimos que la temperatura puede ser importante a la hora del diseño, ya que un diseño basado en una corriente inversa de 0,05 A trabajará muy bien a 25 ºC con un 1N4001 típico, pero puede fallar si tiene que funcionar en medios donde la temperatura de la unión alcance los 100 ºC.

4. Circuito Rectificador, Voltaje Eficaz, Voltaje Medio.

Circuitos Rectificadores

Estos circuitos permiten transformar una onda con un valor medio igual a cero en una onda cuyo valor medio es diferente de cero.

Ya que los diodos permiten el paso de la corriente eléctrica en una dirección y lo impiden en la dirección contraria, se han empleado también durante muchos años en la detección de señales de alta frecuencia, como las de radiodifusión, para convertirlas en audibles en los receptores de radio.

Funcionamiento de un diodo rectificador común de media onda

Hay una fuente de corriente alterna C.A. que circula por el circuito eléctrico esta tiene una forma de una sinusoide, en la que medio ciclo posee polaridad positiva mientras y el otro medio ciclo posee polaridad negativa. Es decir, cuando una corriente alterna circula por un circuito eléctrico cerrado su polaridad cambia constantemente tantas veces como ciclos o hertz por segundo de frecuencia posea. En el caso de la corriente alterna que llega a nuestros hogares la frecuencia puede ser de 50 o de 60 ciclos en dependencia del sistema que haya adoptado cada país en cuestión.

Valor Medio

Voltaje Promedio en corriente alterna es el promedio aritmetrico de todos los instantes de tension medidos en un cierto tiempo.

V med=1T∫0

T

y (t)dt

En el Periodo Completo de una sinusoide: el valor medio = 0 porque el semiperiodo positivo se anula con el semiperiodo negativo.

Valor Eficaz

Voltaje Eficaz , Voltaje RMS o valor eficaz, ya que la formula se aplica para corriente, tension y potencia en corriente alterna es el valor que tendría una corriente continua que produjera la misma potencia que dicha corriente alterna, al aplicarla sobre una misma resistencia. Es el valo r que medimos con el multimetro en los tomacorrientes de nuestras casas.

V ef=√ 1T ∫0

T

[ y (t )]2

Factor de rizado.

El rizado, algunas veces llamado fluctuación o ripple (del inglés), es la pequeña componente de alterna que queda tras rectificarse una señal a corriente continua. El rizado puede reducirse notablemente mediante un filtro de condensador, este proceso es llamado a veces "filtrar", y debe entenderse como la reducción a un valor mucho más pequeño de la componente alterna remanente tras la rectificación, pues, de no ser así, la señal resultante incluye un zumbido a 60 ó 50 Hz muy molesto, por ejemplo, en los equipos de audio.donde,

es el voltaje de rizado de pico a pico. Recordar que .

es la corriente continua que demanda la carga.

es la frecuencia del rizado. Esta frecuencia es igual a en un rectificador de media

onda e igual a en un rectificador de onda completa. es la capacitancia del condensador.El factor de rizo es un indicador de la efectividad del filtro y se define como:

r= VrVcd

donde, Vr es el voltaje de rizo eficaz (rms, valor medio cuadratico) Vcd es el valor de cd (corriente continua promedio) del voltaje de salida del filtro.

Mientas menor sea el factor de rizo, mejor será el filtro. El factor de rizo puede reducirse incrementando el valor del capacitor del filtro.

2. Utilizando el siguiente circuito:

2.1. Varíe la fuente de alimentación Vf de acuerdo a la Tabla No.1 y mida Vd , tensión a los terminales del diodo e Id corriente del diodo.

Podemos ver claramente que la corriente I AKdel diodo tiene el mismo sentido que la

corriente que sale de la fuente I d.

I AK=I d

Por lo tanto el diodo se encuentra en polarización directa, como vamos a usar el modelo de la primera aproximación para el análisis consideraremos el siguiente circuito.

Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff tenemos:−V f+V γ+V o=0

De dondeV o=V f−V γ

Una vez que hayamos obtenido el valor de V o lo usaremos para obtener el valor de la

corriente I d, calculando la corriente que pasa sobre el resistor, tenemos:

I d=V o

RDe donde:

I d=V f−V γ

1.5K−V f+V d+V o=0V o=V f−1.5K ∙ I d

2.2. Utilizando el Simulador, grafique Vd e Id para cada voltaje de alimentación.

Para Vf = 0.4Voltaje en el diodo

OsciloscopioCanal: AEscala: 200mVMedición: 362.047 mV = 0.36V

V d=0.36VCorriente en el Diodo

La corriente será calculada a partir del voltaje sobre la resistencia RVoltaje sobre la resistencia ROsciloscopioCanal: AEscala: 20mVMedición: 37.95 mV = 0.037V

Para obtener la corriente del diodo usamos la corriente que pasa por la resistencia R ya que los 2 elementos se encuentran en serie, poseen la misma corriente, la obtendremos aplicando la ley de ohm en la resistencia R.

I d=V R

R

I d=0.037V1.5 kΩ

I d=0.246μA Para Vf = 0.5

Voltaje en el diodoOsciloscopioCanal: AEscala: 200mVMedición: 405.36 mV = 0.40V

V d=0.40VCorriente en el Diodo

La corriente será calculada a partir del voltaje sobre la resistencia ROsciloscopioVoltaje sobre la resistencia RCanal: AEscala: 20mVMedición: 94.63 mV = 0.094V


I d=V R

R

I d=0.037V1.5 kΩ

I d=0.62μA


OsciloscopioCanal: AEscala: 200mVMedición: 432.45mV = 0.43V

V d=0.43V

Corriente en el Diodo

La corriente será calculada a partir del voltaje sobre la resistencia R

OsciloscopioVoltaje sobre la resistencia RCanal: AEscala: 20mVMedición: 167.54 mV = 0.16V


I d=V R

R

I d=0.16V1.5 kΩ

I d=0.10mA



V d=0.45V





I d=V R

R

I d=0.24V1.5 kΩ

I d=0.16mA



V d=0.46V





I d=V R

R

I d=0.33V1.5kΩ

I d=0.22mA



V d=0.47V





I d=V R

R

I d=0.42V1.5kΩ

I d=0.28mA

Para Vf = 1Voltaje en el diodo


V d=0.48V





I d=V R

R

I d=0.51V1.5kΩ

I d=0.34mA



V d=0.51V





I d=V R

R

I d=0.98V1.5kΩ

I d=0.65mA

Para Vf = 2Voltaje en el diodo


V d=0.53V



OsciloscopioVoltaje sobre la resistencia RCanal: AEscala: 20mVMedición: 1.465V


I d=V R

R

I d=1.46V1.5kΩ

I d=0.97mA Para Vf = 2.5

Voltaje en el diodoOsciloscopioCanal: AEscala: 200mVMedición: 535.31mV = 0.53V

V d=0.53V



OsciloscopioVoltaje sobre la resistencia RCanal: AEscala: 20mVMedición: 1.95V


I d=V R

R

I d=1.95V1.5kΩ

I d=1.3mA

2.3. Calcule la resistencia del diodo Rd para cada valor de Vf .

R1=0.36V

0,246×10−6 A=1.5M Ω

R2=0,4V

0,62×10−6 A=645K Ω

R3=0,43V0,1mA

=4,3K Ω

R4=0,45V0,16mA

=2K Ω

R5=0,46V0,22mA

=2K Ω

R6=0,47V0,28mA

=1,67K Ω

R7=0,48V0,34mA

=1,41K Ω

R8=0,51V0,65mA

=78 4.61Ω

R9=0,53V0,97mA

=546.38Ω

R10=0,53V1,3mA

=407.6Ω

2.4. Complete la Tabla No.1

V f [V ] 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,5 2

V d [V ] 0.36V 0,4V 0,43V0,45V 0,46V 0,47V 0,48V 0,51V 0,53V 0,53V

I d[mA ] 0,000246mA0,00062m A0,1mA0,16mA0,22mA0,28mA0,34mA0,65mA0,97mA 1,3mA

Rd [ohm ]1.5M Ω 645K Ω 4,3K Ω2K Ω 2K Ω 1,67K Ω1,41K Ω784.61Ω546.38Ω407.6Ω

2.5. Grafique la curva característica del diodo.

3. Para el circuito # 2: R1=10K, R2=2,2K,

3.1 Calcule el Vo, Va

Definimos el sentido de la corriente I que está dado por la fuente de 7V ya que es la fuente de voltaje más grande en el circuito serie por lo tanto esta definirá el sentido de la corriente en el circuito, también definimos el sentido de la corriente IAK que es el sentido de corriente que se necesita para ubicar al diodo en la región de polarización directa.

I=I AK

Por lo tanto decimos que el diodo está en polarización directa

Procedemos a buscar un modelo equivalente para el circuito para realizar el análisis, como la fuente de voltaje es pequeña y las resistencias externas del diodo son mucho mayores a la resistencia interna, utilizaremos el modelo de la primera aproximación.Resolviendo el circuito por mallas tenemos:

−7+R1 I+0.7+R2 I+4=0(R1+R2 ) I=7−0.7−4

I= 2.312.2K

I=0.189mA

Aplicando ley de ohm en las resistencias tenemos:

V a=I ∙R1

V a=0.188mA ∙10KΩV a=1.89V

Para despejar V otenemos:

−7+V a+0.7+V o=0V o=+7−V a−0.7V o=+7−1.89−0.7

V o=4.41V

3.2 Realice la simulación correspondiente.

V o

OsciloscopioCanal: AEscala: 2VMedición: 4.58V

V o=4.58V

%error=Valor calculado−Valor simuladoValor simulado

×100

%error=4.41−4.584.58

×100

%error=3.71%

V a


V o=2.08V


×100

%error=1.89−2.082.08

×100

%error=9.1%

3.3 Complete la siguiente tabla.

VOLTAJES Va Vo

Valor calculado 1.89 4.41Valor simulado 2.08 4.58

3.4 Si se invierte la posición del diodo, calcule Va y Vo.

Definimos el sentido de la corriente I que está dado por la fuente de 7V ya que es la fuente de voltaje más grande en el circuito serie por lo tanto esta definirá el sentido de la corriente en el circuito, también definimos el sentido de la corriente IAK que es el sentido de corriente que se necesita para ubicar al diodo en la región de polarización directa.

I ≠ I AK

Por lo tanto decimos que el diodo está en polarización inversa

Como el diodo está en polarización inversa decimos que actúa como circuito abierto

I=0 A

Aplicando ley de ohm en las resistencias tenemos:

V a=I ∙R1

V a=0 A ∙10KΩV a=0V

Para despejar V otenemos:

V o=4+R2 ∙ IV o=4V

3.5 Realice la simulación correspondienteV o


V o=4V


×100

%error=4−44

×100

%error=0%

V a

OsciloscopioCanal: AEscala: 500mVMedición: 122.57×10−6V ≈0V

V o≈0V


×100

%error=0−0V0V

×100

%error=0%

3.6 Complete la siguiente tabla.

VOLTAJES Va Vo

Valor calculado 0 4Valor simulado 0 4

En el circuito # 3

4.1Determine Vo de acuerdo a la siguiente tablaVA VB

5 50 55 00 0

a) V a=5 y V b=5

Comenzamos definiendo el sentido de la corriente dado por las fuentes de 5V y lo comparamos con la corriente que necesita el diodo para entrar en la zona de polarización directa.

D1 :I AK ≠ ISe encuentra en

polarización inversa



Representamos al circuito como

:

I=0V 0=I ∙2.2K+5

V 0=0+5V 0=5V

b) V a=0 y V b=5

Comenzamos definiendo el sentido de la corriente dado por las fuentes de 5V y lo comparamos con la corriente que necesita el diodo para entrar en la zona de polarización directa

D1 :I AK=ISe encuentra en

polarización directa




−5+2.2K ∙ I+0.7=02.2K ∙ I=5±0.7

I=5−0.72.2K

I=1.95mA

V o=−I ∙2.2K+5V o=−4.3+5

V o=0.7

c) V a=5 y V b=0







−5+2.2K ∙ I+0.7=02.2K ∙ I=5±0.7

I=5−0.72.2K

I=1.95mA

V o=−I ∙2.2K+5V o=−4.3+5

V o=0.7

d) V a=0 y V b=0







Es un circuito abiertoPor lo tanto no existe

corriente−5+ I ∙2.2K=0 A

I ∙2.2K=5

I= 52.2K

I=2.27mA

V o=−I ∙2.2K+5V o=−5+5V o=0V

4.2 Realice la simulación de: Vo para cada valor de VA,VB.

a¿V a=5 y V b=5V o

OsciloscopioCanal: AEscala: 5VMedición: 5V


×100

%error=5−5V5V

×100

%error=0%

b¿V a=0 y V b=5V o

OsciloscopioCanal: AEscala: 1VMedición: 0.032V=32mV ≈0


×100

%error=0−00V

×100

%error=0%

c ¿V a=5 y V b=0V o

OsciloscopioCanal: AEscala: 1VMedición:0.032V=32mV ≈0


×100

%error=0−00V

×100

%error=0%

d ¿V a=0 y V b=0

V o

OsciloscopioCanal: AEscala: 1VMedición:0V


×100

%error=0−00V

×100

%error=0%

4.3 Complete la tabla con los datos obtenidos.VA VB Vo5 5 Calculado 5

Simulado 50 5 Calculado 0

Simulado 0.0325 0 Calculado 0

Simulado 0.0320 0 Calculado 0

Simulado 0

5. Preguntas

5.1¿Cuál es el voltaje umbral del diodo utilizado en el circuito # 1?

Vemos que cuando variamos el voltaje de la fuente el voltaje en el diodo fue aumentando hasta estabilizarse en un valor

V d=0.53V

Idealmente se considera al voltaje con un valor de 0.7V.

5.2 ¿De qué depende el valor de la resistencia a los terminales del diodo en el circuito #1?El valor de la resistencia dependerá del voltaje de la fuente que polariza al diodo, a medida que este suba, la resistencia del diodo disminuye hasta estabilizarse en un punto cercano a los 100 ohmios aproximadamente

5.3 ¿Cuál es el valor de la resistencia del diodo en polarización inversa?

Se considera que la resistencia del diodo en polarización tiende al infinito, en el circuito 1 se encontraba en el orden de los mega ohmios.

5.4 En base a que parámetros utiliza los distintos circuitos equivalentes del diodo, Explique.

Existen 3 circuitos equivalentes del diodo que son: el ideal, la primera aproximación y la segunda aproximación.

La representación del diodo ideal se usara cuando el voltaje de las fuentes que se estén manejando sea mucho mayor (por lo menos 10 veces) al voltaje umbral del diodo, ya que si trabajamos con voltajes de 70V, despreciar un voltaje de 0.7 no alterará en nada nuestra respuesta

La representación de la primera aproximación se usará cuando se trabajen con fuentes de voltaje pequeñas y además las resistencias externas al diodo, es decir que no forman parte del diodo, son mucho mayores (por lo menos 10 veces) a la resistencia interna del diodo es decir 1k aprox, ya que no podemos despreciar el voltaje umbral del diodo ya que nuestras fuentes son pequeñas y esto generará errores.

La representación de la segunda aproximación se usará cuando se trabajen con fuentes de voltaje pequeñas y además las resistencias externas al diodo, son pequeñas es decir son comparables con la resistencia interna del diodo, ya que no podemos despreciar ni el voltaje interno ni la resistencia interna del diodo ya que esto generara errores .

5.5 El circuito # 3 es la representación de que compuerta?

La tabla de las entradas frente a la de las salidas es la siguiente

A B F

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

Si la comparamos con la talbla de verdad de una compuerta lógica AND vemos que, es la misma, por lo tanto, la compuerta lógica que representa el circuito 3 es una compuerta AND.

6.

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