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Universidad Politécnica Salesiana Ingeniería Electrónica Electrónica Analógica I Integrantes: Katherin Concha, Juan Díaz, Jimmy Rojas Nivel/Grupo: Cuarto-G2 Fecha de entrega: 07 de julio de 2017

Comparación entre Diodo 1n4007 y Diodo 1n914 1. Resumen: El estudio de los diodos semiconductores es de gran utilidad dentro de los circuitos electrónicos por sus diversas aplicaciones y dispositivos de uso fácil y rápido dentro del mercado comercial ya que nos proporciona una circulación de corriente eléctrica en un solo sentido por ende el estudio se basa en analizar su funcionamiento con sus respectivas características principales y elementos. Lo cual se especificará en el siguiente ensayo el cual consta de un análisis teórico y un análisis práctico de los diodos 1n4007 y 1n914 con sus respectivos circuitos y componentes a analizar, obteniendo así la forma de onda de cada uno de los diodos, verificando su grafica y comprándolo entre diodos sus valores. Su estudio consta de dos partes un semiciclo positivo y un semiciclo negativo en el cual obtendremos diferentes valores de voltaje pico, frecuencia, periodo, voltaje DC, voltaje Rms, Factor de Forma y Factor de Rizado, debido a que su análisis es de media onda el semiciclo negative su voltaje es 0. Concluyendo asi una característica en común que tienen estos dos tipos de diodos que es su funcionamiento ya que actúan como rectificador transformando AC a DC en determinados momentos y su error relativo no tiene una variacion exuberantemente en el tiempo. 2. Introducción. El estudio de los dispositivos semiconductores empieza con el Diodo, cuando hablamos de electrónica analógica, los diodos se encuentran implícitos y forman parte del estudio de la carrera de electrónica, estos componentes son muy habituales en los circuitos eléctricos debido a sus variadas aplicaciones que se les pueden dar. El diodo es un semiconductor, no solo es de gran importancia en las aplicaciones electrónicas modernas, sino que además la teoría de la unión n-p sirve como fundamento en la comprensión de los dispositivos semiconductores. El diodo rectificador son elaborados de silicio, pero, el diodo de rápida respuesta tiene unas características que lo hacen único, suelen ser fabricados mediante la difusión. Para esta comparación se tomará en cuenta a los circuitos rectificadores como punto de partida del análisis, centrándonos en el comportamiento de cada uno de los diodos tanto en su semiciclo positivo y negativo como su voltaje de salida, determinando las ventajas y desventajas que cada uno de los diodos otorga, mediante simulaciones tanto prácticas como teóricas, limitándose a los materiales que ofrece el mercado actual y basándonos en el datasheet de cada uno de los diodos. Estos dos tipos de diodos tienen características similares, que ambos pueden actuar como rectificador transformando AC a DC en determinados momentos, El diodo 1N4007 es un diodo muy usado en electrónica como rectificador en fuentes de alimentación y supresor de picos en bobinas y relés lo que permite alimentar dispositivos electrónicos como celulares, baterías de laptops, calculadoras, fuente de poder de computadores, entre otras, pero su característica principal es que permite el flujo de corriente solo en un sentido. Por otra parte, el diodo 1N914 se

emplea en circuitos de altas frecuencias donde el tiempo se switcheo tiene gran importancia al momento de cerrar o abrir el circuito, es decir en la electrónica de potencia, este diodo era comúnmente producido en masa como un diodo de switcheo que trabaja a una temperatura ambiente o lo que es lo mismo a 25°C con una intensidad de 25 nA y un potencial de 20V. El diodo 1N914 es muy antiguo por lo que su fabricación se ha venido descontinuando a lo largo de los años, su reemplazo es el diodo 1N4148, que trabaja en condiciones más eficientes. el diodo 1N4148 tiene un tiempo de respuesta de alta velocidad de 4ns ideales para conmutaciones de alta frecuencia para convertidores de potencia; Por lo Contrario un diodo 1N4007 tienes una tiempo de respuesta de aproximadamente los 8ms, Estos dos tipos de diodos pueden actuar de dos maneras como rectificador y como regulador. dependiendo del circuito en cuestión y sus necesidades ya sea de rectificación de onda o de switcheo de acuerdo a estas condiciones se implementara el diodo correspondiente. Además de las condiciones que agregue en el datasheet el fabricante como valor de voltaje, corriente, potencia, etc. En base a los conocimientos propuestos se realizará el análisis de los dos diodos en cuestión, comenzando por el comportamiento de cada uno de los diodos en su ambiente natural y luego en condiciones de simulación. 3. Marco Teórico Semiconductores Un semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores; Los semiconductores son una clase especial de elementos cuya conductividad se encuentra entre la de un buen conductor y la de un aislante. (Boylestad, 2009). Los semiconductores pueden ser intrínsecos o extrínsecos, se encuentran fabricados generalmente de silicio o germanio. Los semiconductores intrínsecos son semiconductores puros, son cristales que forman enlaces covalentes entre los átomos desarrollando una estructura de tipo tetraédrico cuando se encuentra a temperatura ambiente, estos cristales tienen electrones que absorben la energía que necesitan para pasar a la banda de conducción, quedando un hueco de electrón en la banda de valencia. Los tres semiconductores más frecuentemente utilizados en la construcción de dispositivos electrónicos son Ge, Si y GaAs. (Boylestad, 2009). Los semiconductores extrínsecos, por su parte, son semiconductores intrínsecos a los que les agregan impurezas con elementos trivalentes o pentavalentes para lograr su dopaje, es decir para incrementar el número de portadores de corriente “electrón y hueco”, de esta manera generamos dos tipos de semiconductores en tipo N y el tipo P; Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos como el Fosforo, Arsénico, Antimonio o el Bismuto al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres o electrones, estos elementos remplazara un átomo de silicio, por lo que el ahora el átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de electrones libres, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. Debido a que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que pueden dar, son llamados átomos donadores. Por otra parte, también tenemos semiconductores de tipo P que se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres o huecos. El propósito del dopaje tipo P es el de crear

abundancia de huecos, se le une un átomo con tres electrones de valencia como el Aluminio, Galio, Boro o el Indio y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrará en condición de aceptar un electrón libre. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Diodos Un diodo tiene dos terminales, un cátodo y un ánodo que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido; Los primeros diodos eran tubos de vacío, también llamados válvulas termoiónicas constituidos por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes inventado y desarrollado en 1904 por John Ambrose Fleming, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison. En la época de su invención, estos dispositivos fueron conocidos como rectificadores, En 1919, William Henry Eccles utilizo el término diodo del griego dia, que significa separado, y ode (de ὅδος), que significa camino. Los rectificadores fabricados de óxido de cobre y selenio fueron desarrollados para aplicaciones en la electrónica de potencia en la década de los 1930. Principio de operación de un diodo El semiconductor tipo N tiene electrones libres mientras que el semiconductor tipo P tiene huecos libres El lado p se llama Ánodo y el lado n es el Cátodo (Malvino, 2000) Cuando se aplica una tensión positiva en el lado P y una tensión negativa en el lado N, los electrones del lado N son empujados al lado P, es decir los electrones comenzaran a fluir; De igual manera los huecos en el material P son empujados con una tensión negativa al lado del material N y los huecos fluyen a través del material N. En el caso opuesto, cuando una tensión positiva se aplica al lado N y una negativa al lado P, los electrones en el lado N son empujados al lado N y los huecos del lado P son empujados al lado P. En este caso los electrones en el semiconductor no se mueven y en consecuencia no hay corriente.

Polarización directa Es cuando la corriente que circula por él va del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito.

Fig1. Flujo de electrones en Polarización directa.

Polarización inversa Es cuando la corriente va del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto.

Fig2. Diodo en Polarización indirecta.

Un dispositivo diodo rectificador es un elemento de dos terminales (diodo = dos electrodos) que contiene una unión solida rectificarte y que se diseña especialmente para manejar bajas frecuencias y grandes corrientes (sentido directo). Actualmente la mayoría de los rectificadores que se emplean en circuitos electrónicos son fabricados de uniones semiconductor-semiconductor de silicio. (García Burciaga de Cepeda, Dispositivos electrónicos. Tomo I, 1985) Pero existen diferentes tipos de diodos. El diodo general y el diodo de rápida respuesta o de alta velocidad. Estos diodos de aplicación general se lo consiguen hasta 6000 V y 4500 A mientras que el diodo de rápida respuesta puede llegar hasta 6000 V y 1100 A. Los diodos de recuperación rápida son esenciales para una conmutación de alta frecuencia de convertidores de potencia. Los diodos de recuperación rápida tienen tiempo de recuperación muy corto, en el caso normal menor que 5 μs y se utiliza en circuitos convertidores de AC a AC y de DC a AC donde la velocidad de conmutación tiene gran importancia, estos diodos de recuperación rápida se suelen fabricar por difusión y el tiempo de recuperación se controla de la misma manera es decir por difusión, el tiempo de recuperación se controla gracias a la difusión del platino o del oro. El diodo de recuperación rápida ha sido ampliamente aceptado para diferentes propósitos, por ejemplo, se encuentran en filtros de aire, rectificación de fuentes de alimentación de alta tensión como televisores a color y pantallas CRT; Estos diodos deben ser capaces de soportar una alta intensidad con pequeñas caídas de tensión, por otra parte, en el sentido inverso debe soportar una tensión negativa con una pequeña corriente de fuga. Por lo general un diodo rectificador se emplea en circuitos que manejan frecuencias bajas y se encuentran encapsulado dependiendo de la potencia que se vayan a disipar. Para los de baja y media potencia se emplea el plástico hasta un límite de alrededor de 1 vatio la diferencia de estos es que están diseñados para poder rectificar pulsos de alta frecuencia como en las fuentes conmutadas o a la salida del fly back, la diferencia con un diodo normal es que el umbral de transferencia o zona agotada es más delgada, lo que permitir la trasferencia o brinco cuando recibe pulsos de alta frecuencia, por eso se les conoce de alta velocidad o de recuperación rápida, estos puedes sustituir cualquier diodo rectificador normal, pero no pueden ser sustituidos a menos que sea de alta velocidad. Rectificadores El rectificador de media onda es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna de lleno conducen cuando se polarizan inversamente. Un circuito RC sirve como filtro para hacer que el voltaje alterno se vuelva directo casi como el de una batería, esto es gracias a las pequeñas oscilaciones que tiene la salida del voltaje, las cuales son prácticamente nulas.

La fuente de corriente alterna produce una tensión sinusoidal. Suponiendo un diodo ideal, la mitad positiva del ciclo de la tensión de fuente polarizara el diodo en directa. Como interruptor cerrado la mitad positiva del ciclo de la tension de fuente aparecerá a través de la resistencia de carga. En la mitad negativa del ciclo, el diodo esta polarizado en inversa. En este caso el diodo ideal aparecerá como un interruptor abierto y no hay tensión a través de la resistencia de carga. (Malvino, 2000). Es importante entender que para un rectificador de media onda el diodo es un componente electrónico que solo conducen la corriente en un sentido. El diodo solo conduce cuando una corriente o tensión es más positiva en el ánodo del diodo que en el cátodo. En caso contrario no circulará corriente a través del diodo. Esta propiedad es la que nos permitirá rectificar la corriente. 4. Desarrollo y Procedimiento Circuito Rectificador con el diodo 1N4007 Simulación:

Fig3. Circuito 1N4007 Simulación.

Fig4. Circuito 1N4007 Vsalida. Cálculos Teóricos: Para el 1N4007 Rectificador a media onda Voltaje: 𝑉2=𝑉1

𝑁2 𝑁1

1

𝑉2=170𝑉𝑃 10 𝑉2=17𝑉𝑃 Frecuencia: 𝑓 = 60𝐻𝑧 Periodo: 𝑇=

1 = 0,0166 = 16.67𝑚𝑠 60

Semiciclo positivo: -17V+0,7V+𝑉𝑅𝐿 =0 𝑉𝑅𝐿 = 17 − 0,7𝑉 𝑉𝑅𝐿 = 16.3𝑉 Semiciclo negativo: En el semiciclo negativo el Diodo actúa como un circuito abierto por eso su voltaje es igual a 0. V= 0 Voltaje dc: 𝑉𝑚 =

𝑉𝑅𝐿 𝜋

𝑉𝑚 =

16.3𝑉𝑝 𝜋

𝑉𝑚 = 5,19𝑉𝐷𝐶 Voltaje rms: 𝑉𝑟𝑚𝑠 =

𝑉𝑅𝐿 2

𝑉𝑟𝑚𝑠 = 8,15𝑉 Factor de forma: 𝐹. 𝐹= 𝐹. 𝐹=

𝑉𝑟𝑚𝑠 𝑉𝐷𝐶 𝜋 2

𝐹. 𝐹 = 1,57 Factor de rizado: 𝐹. 𝑅 = √(𝐹. 𝐹)2 − 1 *100%

𝐹. 𝑅 = √(1,57)2 − 1 ∗ 100% 𝐹. 𝑅 = 121% Circuito Rectificador con el diodo 1N914 Simulación:

Fig5. Circuito 1N914 Simulación.

Fig6. Circuito 1N914 Vsalida. Cálculos Teóricos: Para el 1N914 Rectificador a media onda Voltaje: 𝑉2=𝑉1

𝑁2 𝑁1 1

𝑉2=170𝑉𝑃 10 𝑉2=17𝑉𝑃 Frecuencia : 𝑓 = 60𝐻𝑧 Periodo:

𝑇=

1 = 0,0166 = 16.67𝑚𝑠 60

Semiciclo positivo: -17V+0,7V+𝑉𝑅𝐿 =0 𝑉𝑅𝐿 = 17 − 1.2𝑉 𝑉𝑅𝐿 = 15.8𝑉 Semiciclo negativo: En el semiciclo negativo el Diodo actúa como un circuito abierto por eso su voltaje es igual a 0. V= 0 Voltaje dc: 𝑉𝑚 =

𝑉𝑅𝐿 𝜋

𝑉𝑚 =

16.3𝑉𝑝 𝜋

𝑉𝑚 = 5,02𝑉𝐷𝐶 Voltaje rms: 𝑉𝑟𝑚𝑠 =

𝑉𝑅𝐿 2

𝑉𝑟𝑚𝑠 = 7,9𝑉 Factor de forma: 𝐹. 𝐹= 𝐹. 𝐹=

𝑉𝑟𝑚𝑠 𝑉𝐷𝐶 𝜋 2

𝐹. 𝐹 = 1,57 Factor de rizado : 𝐹. 𝑅 = √(𝐹. 𝐹)2 − 1 *100% 𝐹. 𝑅 = √(1,57)2 − 1 ∗ 100% 𝐹. 𝑅 = 121% 5. Análisis de Resultados Para el 1N4007 Simulación Vi

Práctica Vi

170 Vpk 170 Vpk Frecuencia Frecuencia 60 Hz 60Hz Periodo Periodo 16.6ms 16.6ms Vdc salida Vdc salida 5.05V 5.19 Vrms salida Vrms salida 8.1 8.15 Tabla1. Comparación Teórica - Simulación del diodo 1n4007 8.1 − 8.15 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = | | ∗ 100 8.1 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0.617%

Para el 1N914 Simulación Práctica Vi Vi 170 Vpk 170 Vpk Frecuencia Frecuencia 60 Hz 60Hz Periodo Periodo 16.6ms 16.6ms Vdc salida Vdc salida 5.05V 5.02 Vrms salida Vrms salida 8.1 7,9 Tabla1. Comparación Teórica - Simulación del diodo 1n914

8.1 − 7,9 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = | | ∗ 100 8.1 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 2.569% Al realizar la simulación y la comparación de resultados teórico-práctico entre los diodos rectificador y recuperación rápida, se pudo notar que la respuesta de un diodo 1n4007 y 1n914 o su genérico 1n4148, varía mucho a razón de los nanosegundos, a pesar que es imperceptible en la práctica en la simulación se puede notar cierta diferencia en la forma de onda. El error apreciado se debe a la baja precisión del cálculo teórico ya que en la simulación se representa los resultados ideales de un circuito. 6. Conclusiones -

El diodo rectificador 1n4007 (ms) tiene un tiempo de respuesta menor que el diodo 1n914 () (Fast Recovery).

-

-

El diodo 1n914 de rápida respuesta se denomina así por su capacidad de switcheo y es utilizado con más frecuencia en circuitos de electrónica de potencia, para el problema propuesto con circuitos rectificadores se comporta como un diodo en polarización directa ya que las características de su funcionamiento no se ven alteradas debido a la naturaleza de su uso en esta simulación El porcentaje de error calculado en la comparación demuestra la efectividad de cada uno de los diodos dando como resultado que para el circuito que se empleó en esta práctica el diodo rectificador sea el más optimo ya que su porcentaje de error es 0.617% respecto al diodo de recuperación rápida que es de 2.569% por ende para circuitos de rectificación es más recomendable la utilización del diodo 1n4007 porque tiene mayor voltaje de ruptura (1000V) y mayor capacidad en corriente(1A) que el 1n914.

7. Recomendaciones -

El Diodo 1n4007 es recomendado para emplearlo en fuentes de alimentación para convertir una tensión alterna en una tensión continua. El Diodo 1n914 son rapidos para señales de alta frecuencia no para fuentes de alimentación porque su comportamiento es muy lento.

8. Bibliografía Boylestad, R. (2009). Electrónica:Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. México: Prentice Hall. García

Burciaga de Cepeda, M. (1985). Dispositivos electrónicos. Tomo I. Obtenido http://bibliotecavirtual.ups.edu.ec:2051/lib/bibliotecaupssp/detail.action?docID=10411098

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García

Burciaga, M. (2009). Práctica de laboratorio con dispositivos electrónicos. http://bibliotecavirtual.ups.edu.ec:2051/lib/bibliotecaupssp/detail.action?docID=10515024

de

Obtenido

Malvino, A. (2000). Principios de Electronica. Madrid: McGraw Hill. Mohan, N. (s.f.). Electrónica de potencia : convertidores, aplicaciones y diseño (3a. ed.). Obtenido de 2009: http://bibliotecavirtual.ups.edu.ec:2051/lib/bibliotecaupssp/detail.action?docID=10565530&p00=electronic a+potencia