Daniel Zambrano

22.197.321

Laboratorio de Electrónica I

Proyecto Nº 1

APLICACIONES CON DIODOS (RECORTADORES A MEDIA ONDA)

PRE-LABORATORIO

El Diodo Ideal: El diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de

corriente entre sus terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el

sentido contrario. El funcionamiento del diodo ideal es el de un componente que presenta

resistencia nula al paso de la corriente en un determinado sentido, y resistencia infinita en el

sentido opuesto.

5 características de Un diodo:

1. Corriente máxima en directa, IFmax o IFM (DC forward current): Es la corriente continua máxima que puede atravesar el diodo en directa sin que este sufra ningún daño, puesto que una alta corriente puede provocar un calentamiento por efecto Joule excesivo. Los fabricantes suelen distinguir tres límites:

o Corriente máxima continua (IFM)o Corriente de pico transitoria (Peak forward surge current), en la que se

especifica también el tiempo que dura el picoo Corriente de pico repetitivo (Recurrent peak forward current), en la que se

especifica la frecuencia máxima del pico

1. Tensión de ruptura en polarización inversa (Breakdown Voltage, BV; Peak Inverse Voltage, PIV): Es la tensión a la que se produce el fenómeno de ruptura por avalancha.

2. Tensión máxima de trabajo en inversa (Maximun Working Inverse Voltage): Es la tensión que el fabricante recomienda no sobrepasar para una operación en inversa segura.

3. Corriente en inversa, IR (Reverse current): Es habitual que se exprese para diferentes valores de la tensión inversa

4. Caída de tensión en PD, VF (Forward Voltage): Pese a que se ha señalado anteriormente los 0.7V como valor típico, en muchas ocasiones los

fabricantes aportan datos detallados de esta caída de tensión, mediante la gráfica I-V del dispositivo.

5. Además, es frecuente que los fabricantes suministren datos adicionales a cerca del comportamiento del dispositivo para otras temperaturas diferentes a la nominal.

Cuadro Comparativo

Aplicaciones

Diodo Zener Diodo Varactor (Varicap) Diodo Túnel

Fotodiodo

Útiles para obtener una Se usa especialmente en los circuitos Diodo corriente Semi-

Tensión invisible, es sintonizadores de televisión y los de conductor

Decir como dispositivo receptores de radio en FM.

Reguladores de tensión

Recortador con diodos

Estos tipos de circuitos utilizan dispositivos de una o más uniones PN como

elementos de conmutación. Se diseñan con el objetivo de recortar o eliminar una parte de la

señal que se le introduce en sus terminales de entrada y permita que pase el resto de la

forma de onda sin distorsión o con la menor distorsión posible. Para realizar esta función de

recortar, los recortadores hacen uso de la variación brusca que experimenta la impedancia

entre los terminales de los diodos y transistores al pasar de un estado a otro, de ahí que sean

los elementos básicos en dichos circuitos.

Explique el proceso de fabricación de un diodo. A que denominamos materiales P y N

Actualmente los diodos se fabrican a partir de la unión de dos materiales semiconductores de características opuestas, es decir, uno de tipo N y otro de tipo P. A esta estructura se le añaden dos terminales metálicos para la conexión con el resto del circuito.

Figura 3: Esquemas de diodos de unión PN

El hecho de que los diodos se fabriquen con estos materiales conlleva algunas desviaciones de comportamiento con respecto al diodo ideal.

En este apartado se presenta en primer lugar el proceso de formación de los diodos de semiconductores para pasar después a exponer el comportamiento eléctrico y las desviaciones con respecto al comportamiento ideal.

2.1 Formación de la unión PN

Supongamos que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas con una frontera nítida, definida por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de tipo N (Figura 4). La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos del grupo III en la red cristalina (por ejemplo, boro). La zona N dispone de electrones en exceso, procedentes de átomos del grupo V (fósforo). En ambos casos se tienen también portadores de signo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de magnitud inferior (portadores minoritarios).

Figura 4: Impurificación del silicio para la obtención de diodos PN

En cada zona la carga total es neutra: por cada electrón hay un ion positivo, y por cada hueco un ion negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos eléctricos internos. En el momento mismo de crear dos zonas de diferente concentración de portadores, entra en juego el mecanismo de la difusión. Como se recordará, este fenómeno tiende a llevar partículas de donde hay más a donde hay menos. El efecto es que los electrones y los huecos cercanos a la unión de las dos zonas la cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir:

Electrones de la zona N pasan a la zona P. Huecos de la zona P pasan a la zona N.

Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en la región de la zona P cercana a la unión:

1. El electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece una carga negativa, ya que antes de que llegara el electrón la carga total era nula.

2. Al pasar el hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de carga positiva en la zona P, con lo que también aparece una carga negativa.

El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N. En consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de carga, que es positiva en la zona N y negativa en la zona P (Figura 5).

Figura 5: Formación de la unión PN

En el ejemplo del capítulo 5, los gases difunden completamente hasta llenar las dos estancias de la caja y formar una mezcla uniforme. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre con los gases de aquel ejemplo, en este caso están difundiendo partículas cargadas. La distribución de cargas formada en la región de la unión provoca un campo eléctrico desde la zona N a la zona P. Este campo eléctrico se opone al movimiento de portadores según la difusión, y va creciendo conforme pasan más cargas a la zona opuesta. Al final la fuerza de la difusión y la del campo eléctrico se equilibran y cesa el trasiego de portadores. En ese momento está ya formado el diodo de unión PN, y como resultado del proceso se ha obtenido:

Zona P, semiconductora, con una resistencia RP.

Zona N, semiconductora, con una resistencia . Zona de agotamiento (deplección): No es conductora, puesto que no posee

portadores de carga libres. En ella actúa un campo eléctrico, o bien entre los extremos actúa una barrera de potencial.

Hay que tener en cuenta que este proceso sucede instantáneamente en el momento en el que se ponen en contacto las zonas N y P, y no necesita de ningún aporte de energía, excepto el de la agitación térmica.

Polarización directa:Cuando la corriente circula en sentido directo, es decir del ánodo A al cátodo K, siguiendo la ruta de la flecha (la del diodo). En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito. El diodo conduce.

Polarización inversa:Cuando una tensión negativa en bornes del diodo tiende a hacer pasar la corriente en sentido inverso, opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o sea del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto. El diodo está bloqueado.

Actividades del Laboratorio

Indique que circuitos con diodos representan los circuitos de la figura 1.a y 1.b.

¿Cuál es su función?

Ambos Son circuitos fijadores de nivel o restauradores de componente continua. Estos

circuitos basan su funcionamiento en la acción del diodo, pero al contrario que los limitadores

no modificarán la forma de onda de la entrada, es decir su voltaje o tipo de corriente eléctrica,

sino que le añaden a ésta un determinado nivel de corriente continua. Esto puede ser

necesario cuando las variaciones de corriente alterna deben producirse en torno a un nivel

concreto de corriente continua.

POST-LABORATORIO

1. ¿Por qué el diodo es un dispositivo no lineal?

Esta es la curva característica del diodo (un diodo se comporta de esa forma). Como no es una línea recta, al diodo se le llama "Elemento No Lineal" ó "Dispositivo No Lineal", y este es el gran problema de los diodos, que es muy difícil trabajar en las mallas con ellos debido a que sus ecuaciones son bastante complicadas.

La ecuación matemática de esta curva es:

2. ¿Cuáles son las ventajas de recortar señales de Corriente Alterna (AC)?

1-Generadores y motores más baratos y eficientes, y menos complejos

2-Posibilidad de transformar su tensión de manera simple y barata (transformadores)

3-Posibilidad de transporte de grandes cantidades de energía a largas distancias con un

mínimo de sección de conductores ( a alta tensión)

4-Posibilidad de motores muy simples, (como el motor de inducción asíncrono de rotor

en cortocircuito)

5-Desaparición o minimización de algunos fenómenos eléctricos indeseables

(magnetización en las maquinas, y polarizaciones y corrosiones electrolíticas en pares

metálicos)

ACTIVIDADES DE LABORATORIO

PARTE I. ANALISIS DE CIRCUITOS CON DIODOS.

1. Montar en el laboratorio el siguiente circuito. Previo al montaje busque las

características del diodo en el Manual ECG y tome nota en el recuadro.

2. La fuente Vi será una señal senoidal de 5 voltios pico y de 500 Herz.

3. Encienda el osciloscopio. Calibre ambos canales. Coloque el canal 1 en paralelo con la

resistencia de 1 KΩ. Dibuje exactamente los que se observa en una hoja de papel

milimetrado (sea muy cuidadoso al hacer la gráfica).

4. Coloque ahora el canal 2 del osciloscopio en paralelo con la fuente Vi y grafique

(según lo indicado en el paso anterior).

Compare ambas gráficas. Explique porque la salida no es igual a la entrada. (Canal 1 Vs

Canal 2).

Compare ambas gráficas. Explique por qué la salida no es igual a la entrada.

En la figura anterior, se puede observar que la señal de salida (grafica color

amarillo) es igual a la entrada para el semi-ciclo positivo de la onda de entrada (cuando Vi

> 0.7V) y tiene un valor de 0V cuando Vi < 0.7V. Esto se debe a que el diodo es un

dispositivo no lineal que conducirá solamente cuando la tensión aplicada al ánodo del

mismo, sea mayor que la tensión aplicada al cátodo que en este caso es 0V. Una vez que

esto ocurre, el diodo se comportara como una pequeña fuente de tensión DC con valor

aproximado de 0.7V. Por otra parte, cuando la tensión de entrada es menor de 0.7V, el

diodo se comportara como un circuito abierto haciendo que la tensión de salida sea 0V ya

que no circulara corriente por la resistencia.

Ahora disminuya el valor pico de Vi a 0.3V. Verifique la señal de salida en la

resistencia de 1KΩ.

¿Hay señal Vo?

No hay señal Vo.

Explique lo que pasa.

En este caso no hay señal de salida ya que el valor pico de la nueva señal de entrada

(0.3V) no es suficiente para colocar el diodo en modo VON y hacer que conduzca

corriente. Es necesario que la señal de entrada tenga una amplitud mayor a 0.7V para que el

diodo pueda conducir.

Repita los pasos anteriores invirtiendo el diodo utilizado. Dibuje el circuito

respectivo invirtiendo el diodo.

Coloque el canal 1 en paralelo con la resistencia de 1KΩ y el canal 2 del osciloscopio en paralelo con la fuente Vi y grafique.

Compare ambas gráficas. Explique por qué la salida no es igual a la entrada.

En este caso, se puede observar que la señal de salida (grafica color amarillo) es igual a la entrada para el semi-ciclo negativo de la onda de entrada (cuando Vi < -0.7V) y tiene un valor de 0V cuando Vi > -0.7V. Esto se debe a que el diodo conducirá solamente cuando la tensión aplicada al ánodo del mismo, sea mayor que la tensión aplicada al cátodo y esto solo sucederá durante el semi-ciclo negativo de la onda de entrada. Una vez que esto ocurre, el diodo se comportara como una pequeña fuente de tensión DC con valor aproximado de 0.7V. Disminuya el valor pico de Vi a 0.3V. Verifique la señal de salida en la resistencia de 1KΩ.

¿Hay señal Vo?No hay señal Vo.

Explique lo que pasa.En este caso no hay señal de salida ya que el valor pico de la nueva señal de entrada (0.3V) no es suficiente para colocar el diodo en modo VON y hacer que conduzca corriente. Es necesario que la señal de entrada tenga una amplitud mayor a 0.7V para que el diodo pueda conducir

Cuál es la función de ambos circuitos.Ambos circuitos tienen como función hacer una rectificación de media onda de la señal de entrada, esto quiere decir que permite convertir una parte de la señal de entrada AC en una señal de salida DC, esto sucederá cuando el diodo se comporta como circuito abierto (no conduce) haciendo que la señal de salida sea de 0Vdc para el caso de los circuitos estudiados.

Que circuitos con diodos representan los de la figura 1.a y 1.b. ¿Cuál es su función?

Analizando el circuito de la figura 1.a, se puede observar que la salida es recortada

en un valor de tensión de aproximadamente 0.7V cuando Vi es mayor a 0.7V, esto se debe

a que cuando la tensión de entrada supera el valor mencionado, el diodo entra en un estado

y comienza a conducir, comportándose así como una fuente de tensión constante de

Aproximadamente 0.7V. Por otra parte, cuando Vi es menor de 0.7V, el diodo no conduce

y se comporta como un circuito abierto haciendo que la tensión de salida sea igual a la

tensión de entrada. Este circuito se conoce como Recortador.

Al igual que en la figura 1.a, en el circuito 1.b se puede observar que la salida esRecortada en un valor de tensión que esta vez es de aproximadamente 2.7V cuando Vi es mayor a 2.7V, esto se debe a que cuando la tensión de entrada supera el valor mencionado,R11kD11N400410V Pico1KHzCANAL 1 (X) CANAL 2 (Y)

B1 2V el diodo entra en un estado VON (ya que la tensión del ánodo superara a la del cátodo por más de 0.7V) y comienza a conducir, comportándose así como una fuente de tensión constante de aproximadamente 0.7V que se suma a los 2V de la batería. Por otra parte, cuando Vi es menor de 2.7V, el diodo no conduce y se comporta como un circuito abierto haciendo que la tensión de salida sea igual a la tensión de entrada. Este circuito también se conoce como Recortador.

PARTE 2. DISEÑO DE CIRCUITOS CON DIODOS.1. Diseñe un circuito usando diodos, resistencias y fuente Vcc que entregue la siguiente onda. Sugerencia (Savant. Diseño Electrónico. Recortadores de señales)

La señal que se desea obtener a la salida del circuito a diseñar consiste en una onda sinusoidal de periodo T=2msw = 2π = 1000 π rad/sDado que la tensión de entrada presenta la misma forma de onda (excepto en la región recortada) que la tensión de salida y ambas tienen la misma frecuencia, podemos definir Vi como:Vi(t) = Vmax*sen(wt+φ) con φ = 0°Vi(t) = Vmax*sen(1000 π t) (1)Calculemos Vmax tomando uno de los valores de Vi(t) para un tiempo determinado t en la onda dada.Sea Vi(t) = 3.75V para t = 0.2ms:Sustituyendo en (1):3.75 = Vmax*sen(1000 π *0.2* )3.75 = Vmax*0.588Vmax = 6.38VComo la salida corresponde a la de un circuito recordador polarizado en paralelo con tensiones de recorte igual a +5 y -5V, el circuito dispondrá de 2 diodos cada uno en serie con 2 fuentes de tensión constante VB1 y VB2 respectivamente. Dado que se requiere una tensión VON para hacer que los diodos conduzcan y asumiendo que ambos diodos son de silicio con VON = 0.7V, obtendremos las siguientes ecuaciones:VB1 + VON = 5V VB1 = 4.3V-VB2 – VON = -5V VB2 = 4.3VAsí el circuito que entregara la señal de onda deseada será: