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• Camila Lopez

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INFORME DE PRÁCTICA DE LABORATORIO PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

Versión 1.0 Periodo 2018-2

Diseño, simulación e implementación de circuitos con Diodos Murillo Julián, Ramos Laura, Sebastián Monroy {u1803071, u1803111, u1803068}@unimilitar.edu.co Profesor: Sergio Chaparro  Resumen— En el presente informe de laboratorio de Electrónica se dará a conocer los procedimientos realizados para la identificación de diferentes regiones de operación de un diodo teniendo en cuenta la forma en que esta polarizado. Se implementaron circuitos en los cuales se verifico los trabajos que realizan los diodos como rectificadores, limitadores y reguladores de tensión. Además, se simularon los diferentes circuitos y el diseño de una fuente regulada de voltaje utilizando diodos zener.

de deriva producto del campo eléctrico en la zona de agotamiento. Como consecuencia el diodo tiene una tensión intrínseca Diodo polarizado inversamente Es cuando el campo eléctrico de la fuente se suma al campo eléctrico que mantiene la unión en equilibrio y como consecuencia de esto no hay flujo de corriente. Un diodo polarizado inversamente opera como un capacitos controlado por tensión.

Palabras clave—Diodo, Fuente, Limitador, Polarización, Regulador, Rectificador Señales, Tensión.

I. INTRODUCCIÓN A. Marco teórico EL DIODO Figura 2. Diodo polarizado Inversamente

Es una unión de dopantes tipo P y tipo N dentro de un material semiconductor. Es de los dispositivos semiconductores más simples y tiene diferentes aplicaciones.

Diodo polarizado directamente Es cuando la tensión que se le está aplicando al diodo tiene su terminal negativo conectado al cátodo y su terminal positivo conectado al ánodo. En este caso el campo eléctrico de la fuente disminuye.

Figura 3. Diodo polarizado Directamente

Figura 1. Diodos http://trends.directindustry.es/project-110271.html

Se puede encontrar de las siguientes maneras: Modelos fundamentales del diodo Diodo en equilibrio El diodo está en equilibrio cuando no tiene nada conectado ni al ánodo ni al cátodo. Aquí las corrientes de difusión producto del gradiente de concentración se cancelan con las corrientes



Modelo ideal En este modelo se considera el diodo como un interruptor. Su aplicación produce muchos errores.

El presente documento corresponde a un informe de práctica de laboratorio de Electrónica presentado en la Universidad Militar Nueva Granada durante el periodo 2018-2.

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



Modelo de tensión constante En este caso se asume que es un diodo ideal y está en serie con una fuente de tensión conocida como Vd,on. Este modelo utiliza sistemas de ecuaciones lineales y no produce muchos errores en sus cálculos como el ideal. Modelo exponencial Para este modelo la corriente para cualquier valor de tensión se representa por la ecuación (1). De esta manera se analiza el comportamiento del diodo con as exactitud. 𝑣𝑓

representa la variación en la tensión de entrada debido a variaciones en la carga (Ecuación 5). 𝑅𝑒𝑔. 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 = 𝑅. 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 

𝑣𝑓

𝐼𝐷 = 𝐼𝑠 (𝑒 𝑣𝑡 − 1) = 𝐼𝑠 ∗ 𝑒 𝑣𝑡

(1)

Aplicaciones del diodo 

b.

(2)

Rectificador de onda completa En este caso se disminuye el rizo al disminuir el tiempo de descarga del capacitor, mediante la inversión del ciclo negativo de la señal de entrada en vez de anularlo. El rizo para este rectificador se expresa mediante la expresión de la ecuación (3) 𝑉𝑅 =



𝐼𝑙 𝐶1𝐹𝑖𝑛

1 𝑉𝑝 − 2(𝑉𝑑𝑂𝑁) 2 2𝐶𝑎𝑝 ∗ 𝑅𝑙 ∗ 𝑓

Δ𝑉𝑜𝑢𝑡 ΔIL

(4)

(5)

Limitadores Es un circuito que fija un nivel umbral de señal. Por debajo de dicho nivel, la salida del circuito equivale a la entrada, pero si el nivel de entrada excede el umbral, la salida quedara limitada al valor máximo definido. II. COMPETENCIAS A DESARROLLAR

Rectificador de media onda En este rectificador el diodo elimina el ciclo negativo de la señal alterna de entrada. Durante el ciclo positivo el capacitor C1 se carga y en el negativo ocurre la descarga a través de la resistencia de carga RL. A la diferencia entre el valor pico de la señal de salida (Vp −VD, on) y el mínimo alcanzado durante la descarga se le conoce como tensión de rizo y se expresa como se muestra en la ecuación (2) 𝑉𝑅 =

∆Vout ∆Vin

En la presente práctica se evaluara la adquisición de las siguientes competencias por parte del estudiante: o El estudiante expresa correctamente el modelo matemático de un circuito electrónico. o El estudiante selecciona y aplica métodos matemáticos para la solución de los sistemas de ecuaciones que describen los parámetros de desempeño de un circuito electrónico. o El estudiante soporta conceptos de ingeniería la solución propuesta a un problema dado. o El estudiante redacta informes utilizando formatos estandarizados. o El estudiante utiliza adecuadamente lenguaje técnico siguiendo las reglas gramaticales y ortográficas. o El estudiante anexa en sus documentos los soportes requeridos para sustentar el trabajo realizado (Diagramas, códigos y gráficos). ´ o El estudiante maneja las herramientas computacionales usadas para la simulación de circuitos electrónicos.

Rectificadores Un rectificador convierte una señal de corriente alterna a corriente continua, los más conocidos son rectificadores de media onda y de onda completa. a.

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III. TRABAJO PREVIO 

¿Qué representa la tensión intrínseca del diodo? Es el valor de tensión en polarización directa a partir del cual un diodo conduce. Este valor se puede obtener a partir de la característica I-V.



¿En qué regiones de operación puede polarizarse un diodo? En polarización inversa y polarización directa.



Describir brevemente la operación de un circuito rectificador, un regulador de voltaje y un limitador de tensión. Rectificador Mantiene una tensión de salida constante ante las variaciones de la entrada y la carga. Regulador de voltaje Convierte de AC a DC Limitador Limita la tensión

(3)

Reguladores de Tensión Cuando se presentan variaciones de tensión DC de entrada y la carga, el regulador mantiene una señal DC constante a la salida. El desempeño de un regulador se mide principalmente mediante la regulación de línea y la regulación de carga. La regulación de línea representa la variación de la tensión de salida debido a variaciones de la tensión de entrada (Ecuación 4) Y la regulación de carga

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¿Cómo puede disminuirse la tensión de rizo en un rectificador? Justificar Para lograr reducir la tensión de rizo podemos aumentar cualquiera de las variables que se encuentran en el denominador de la ecuación, las cuales son la resistencia de carga, el condensador o la frecuencia de entrada.

IV. MATERIALES, REACTIVOS, INSTRUMENTOS, SOFTWARE, HARDWARE O EQUIPOS





Del laboratorio: 1. Multímetro 2. Fuente de tensión 3. Generador de señales 4. Osciloscopio 5. PC de escritorio Del estudiante: 1. Diodos 1N4007 2. Condensadores de 10µF y 47µF 3. Resistencias de 1/2W de 1KΩ, 51Ω, 510Ω y 10Ω 4. Diodo Zener de 5.1V o 5.6V 5. Diodo Zener de potencia de 12V 6. Transformador de 120V a ≈18V 7. Resistencias de 5W (Valores calculados) 8. LTSpice o Proteus

Figura 4. Representacion de los diodos y sus terminales

En la figura se muestra el dibujo físico del diodo medido con sus terminales identificadas. Los diodos cuentan con dos terminales, ánodo y cátodo como se observa en la imagen. En todas las representaciones ña parte negativa o cátodo se identifica por una línea en esta terminal. 2.

Figura 5. Circuito a analizar

V. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA En esta práctica de laboratorio se realizaron 5 diferentes montajes los cuales se mostraran y analizaran a continuación. 1.

a.

Se midió la tensión intrínseca VD,on de 8 diodos 1N4007 y se reportaron las mediciones en la tabla 1.

Diodo D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8

VD,on 0.531V 0.536V 0.494V 0.558V 0.533V 0.544V 0.531V 0.531V

Para el circuito de la figura , si D1 y D2 son diodos 1N4007:

Usando el valor promedio para VD,on obtenido en el ítem anterior el cual es 0.532V y teniendo R1=R2= 1KΩ y siendo DZ es un diodo zener de 5.6V, se extrajo teóricamente la característica entrada-Salida. 𝑉𝑜𝑢𝑡 =

b.

𝑉𝑖𝑛 − 0.532 = 6.189𝑣 2

Considerando los valores dados en a, se simulo la tensión de salida del circuito al variar la tensión de entrada entre -10V y 10V en pasos de 0.01V

Tabla 1. Tensión intrínseca en diferentes diodos La tensión medida en los diodos es conocida como VD,on o tensión de umbral que es valor del voltaje en polarización directa del diodo. Cuando hay una tensión más grande que la del VD,on la intensidad de corriente aumenta y se dice que el diodo tiene una resistencia muy pequeña ya que deja pasar toda la corriente y la tensión varia un poco.

Figura 6. Simulación tensión de salida del circuito en LTspice

En la Figura 6 se observa la simulación del circuito según los parámetros establecidos, los cuales se

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presentan mediante un barrido de -10V A 10V en paso de 0,01V, y se logra apreciar la característica entrada salida que nos arroja esta clase de circuito en el cual vemos que la entrada es una recta de pendiente uno la cual se encuentra de color azul, en cambio en la salida, que se visualiza en rojo, mientras la entrada es negativa la salida tiene un comportamiento lineal con pendiente de ½ hasta que llega al valor de -0,73V que es el valor aproximado para Vd ON para los diodos que son utilizados en este circuito, a partir de este punto la salida del circuito se vuelve aproximadamente la misma entrada que como se mencionó anteriormente es una recta ascendente de pendiente 1. c.

Se realizó el montaje del circuito en la protoboard usando los valores dados en a, y una fuente DC para Vin. Se varió la fuente como se indica en la tabla 2 y se midió el voltaje de salida. Se generó la gráfica de estos puntos.

Figura 7. Montaje en protoboard

Vin [V] Vout [V] -10 -2.85 -8 -2.70 -5 -2.16 -3 -1.56 0 0 2 1.98 4 3.96 5.5 5.4 5.7 5.8 6 5.95 8 8.03 10 9.90 Tabla 2. Valores medidos de Vout del circuito

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Al graficar cada uno de los puntos medidos en el circuito obtenemos la figura 8 la cual nos muestra el comportamiento del mismo, en que apreciamos una similitud al enciso anterior ya que vemos un comportamiento distinto de la entrada de una manera proporcional en los valores negativos pero una vez pasa de 0, la salida se convierte en valores muy similares a los que están entrando, volviéndose de esta manera una recta. d.

¿Los gráficos obtenidos en a, b y c son similares? ¿Qué tipo de circuito tiene una característica entradasalida similar?

Una vez realizados cada uno de los cálculos, montajes y simulaciones pertinentes nos podemos dar cuenta que esta característica entrada salida del circuito es similar para cada uno de ellos, la primera razón es porque usamos los mismos valores para cada una de las gráficas realizadas, si llegamos a encontrar variaciones entre ellas puede ser por diversos factores que no se tienen en cuenta a la hora de simular pero que en el montaje físico puede ser no muy fácil de obtener, como lo son los voltajes exactos de entrada del circuito, factor que tampoco se tiene en cuenta a la hora de realizar los cálculos de manera teórica. El comportamiento que se puede decir comparten cada uno de las gráficas son los valores de salida una vez el voltaje de entrada pasa el voltaje VDon de los diodos usados, a partir de este punto en cada una de las gráficas se ve un comportamiento similar de la entrada y la salida, el cual es una recta ascendente de pendiente 1, que indicara que la entrada será la misma salida.

e.

Siendo Vin una señal sinodal de 10Vp y frecuencia de 1KHz aplicada con el generador de señales, se visualizaron las señales de entrada y salida.

Figura 9. Simulación de circuito con una señal sinoidal en LTspice

Figura 8. Gráfica de los valores obtenidos

Al tomar la entrada como una señal alterna de 10 Vpp (a pesar de que se nos pide que el voltaje pico sea 10 se toma de 5 ya que el generador de señales no nos arroja una señal tan grande), y de una frecuencia de 1000Hz, podemos apreciar en la simulación que el comportamiento del circuito sigue siendo muy parecido, con el cambio que

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sus valores de salida oscilaran en el tiempo así como lo hacen los valores de entrada. Cuando la señal de entrada se hace negativa, su respuesta en la salida serán unos valores más grandes con respecto a lo que entra, para ser un poco más claros, los valores serán menos negativos, acercándose a 0, pero en cambio, según la gráfica, cuando la entrada (azul) se hace positiva, los valores de salida (rojo) tienden a igualarse con esta.

3.

Rectificador de onda completa.

Figura 12. Montaje en Protoboard del circuito

Para el circuito de la figura los diodos son 1N4007, R1=10Ω, RL=510Ω y C1=10µF:

Figura 13. Visualización de las señales en el osciloscopio

Figura 10. Circuito Rectificador a analizar

a.

c.

Se calculó teóricamente la tensión de rizo y se simulo el circuito para verificar el valor obtenido usando una señal sinodal de entrada de 10Vpp y 1KHz de frecuencia. 𝑉𝑅 = 𝑉𝑅 =

Se reemplazó el condensador por uno de 47µF. Se calculó teóricamente el rizo y se midió en el osciloscopio. 𝑉𝑅 =

1 5 − 2(0.532𝑣) = 82.10𝑚𝑉 2 510Ω ∗ 47µF ∗ 1𝑘𝐻𝑧

1 𝑉𝑝 − 2𝑉𝑑, 𝑜𝑛 2 𝑅𝑙 𝐶 𝐹𝑖𝑛

1 5 − 2(0.532𝑣) = 385.88𝑚𝑉 2 510Ω ∗ 10µF ∗ 1𝑘𝐻𝑧

Figura 14. Visualización de las señales en el osciloscopio Figura 11. Simulación del circuito en LTspice

b.

Se implementó el circuito en Protoboard y con el generador de señales se creó una señal sinodal de entrada de 10Vpp y 1KHz de frecuencia. Se observó en el osciloscopio las señales de entrada y salida, y se midió la tensión de rizo.

d.

Usando el capacitor de 10µF, se aumentó la frecuencia de la señal de entrada a 5KHz y se verifico en el osciloscopio la tensiones de entrada y salida

𝑉𝑅 =

1 5 − 2(0.532𝑣) = 77.17𝑚𝑉 2 510Ω ∗ 10µF ∗ 5𝑘𝐻𝑧

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Figura 15. Visualización de las señales en el osciloscopio

Al variar el condensador y las frecuencias como se hizo en este punto de la práctica se evidencia como se afecta el valor del cada uno de los rizos de una manera considerable, se podría decir que ente mayor sea el valor del capacitor usado o la frecuencia de entrada del circuito el rizado obtenido será menor. 4.

Regulador Se realizó el montaje del circuito de la figura usando diodos 1N4007, un zener de 5.6V, R1=10Ω, R2=51Ω, RL=510Ω y C1=10µF.

b.

Se varió el valor pico de la entrada en ±2V y se verifico Vout. Se reportó en la tabla 3 el valor medio de Vout medido y se calculó la regulación de línea. Vin [Vp] Vout [V]

6 0.144

8 0.201

𝑅𝑒𝑔. 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 =

10 0.240

∆Vout ∆Vin

Para Vin 6V: 𝑒𝑔. 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 =

0.144 = 0.024 6

Para Vin 8V: 𝑒𝑔. 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 =

0.201 = 0.024 8

Para Vin 10V: 𝑒𝑔. 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 =

Figura 16. Circuito Regulador a analizar

Figura 17. Montaje del circuito Regulador

a.

Se aplicó con el generador de señales una tensión de entrada sinodal de 8Vpp y 1KHz de frecuencia. Se visualizó la tensión de salida y se observó el valor medio de esta.

5.

0.240 = 0.024 10

Ejercicio de Diseño. Fuente regulada de voltaje Se logró diseñar una fuente regulada de voltaje usando cada uno de los elementos sugeridos como lo fueron diodos zener, capacitores, resistencias; cumpliendo de esta manera una serie de parámetros que habían sido previamente establecidos como lo fue un voltaje de rizo menor al 3% del voltaje de entrada, para esto se realizó el respectivo cálculo que se observa en la ecuación (3), pero asumiendo valores que ya tenemos, como lo es un capacitor que se eligió de manera estándar y de gran capacidad para evitar problemas de sobrecarga, se quiso usar un condensador de 9400µF, al no conseguir de este valor tan grande lo que se hizo fue colocar dos de los más grandes que se tenían (4700µF) en paralelo para que, de esta manera se sumaran sus capacitancias. La frecuencia que se tomó en el momento de realizar los cálculos fue de 60 Hz, la cual es la obtenida de las redes domésticas. Al saber cuál es el voltaje de rizo deseado, se procede a despejar la ecuación para (Rl) la resistencia de carga y de esta manera obtener el rizo requerido, tal y como se ve en la ecuación (6).

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𝑅𝑙 =

12 − (2 ∗ 0,58) 2 ∗ 0.36 ∗ (9700 ∗ 10 − 6) ∗ 60

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(6)

𝑅𝑙 = 25,86 Al obtener este valor, esta será la resistencia de carga requerida para obtener el rizo de 0,36V.

Figura 19. Esquema de la fuente en Proteus

Figura 18. Esquema de la fuente en LTspice

Luego procedemos a obtener una resistencia para obtener un factor de regulación menor al 5%, para esto debemos saber las corrientes que pasan a través del circuito. Para el cálculo requerimos del valor de la corriente que pasa a través de la R1 (Figura18) y este lo sabemos partiendo del punto que la corriente que pasa a través del diodo zener que estamos usando es de 380mA, el voltaje de salida serán aproximadamente 12V que las resistencias de regulación que usaremos serán de 50 y 100 ohmios. Para esto nos remitimos a las ecuaciones y 7,8 y 9. . 12𝑉 𝐼𝑟𝑙 = = 120𝑚𝐴 (7) 100Ω 𝐼𝐿 = 𝐼𝑧𝑒𝑛𝑒𝑟 + 𝐼𝑟𝑙 = 380𝑚𝐴 + 120𝑚𝐴 = 500𝑚𝐴 (8) 𝑅. 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 =

Δ𝑉𝑜𝑢𝑡 12 = = 24Ω ΔIL 0.005𝐴

(9)

Para la realización del circuito se usa una resistencia de regulación de carga de 15 ohmios. Una vez obtenidos todos los valores anteriormente calculados procedemos al montaje que se muestra en la imagen 20 siguiendo el esquema de la imagen 19, en la cual se aprecian resistencias ceramicas o de tiza, ya que al realizar los calculos de potencia arrojaban valores cercanos a los 5 Watts. Tambien observamos que no usamos un solo diodo zener debido al motivo anterior, para evitar que estos se quemaran se pusieron 5 diodos de estos en paralelo con el fin de distribuir la corriente de manera equitativa en cada uno de estos, al reducir la corriente en cada diodo reduciremos la potencia que pasa por cada uno de ellos, pero cumpliran la misma funcion de uno solo. En la imagen 20 se ve en la parte izquierda la resistencia de regulacion de 100 ohmnios, en la parte derecha se ven dos de 100 omnios puestos en paralelo con el fin de obtener una resistencia total de 50 ohmnios, a continuacion presentamos las salidas del osciloscopio que se obtuvieron respectivamente.

Figura 20. Montaje en Protoboard de la fuente

Figura 21. Visualización de las señales en el osciloscopio

En las vizualizaciones del osciloscopio de la imagen 21, se logra ver la señal de salida despues de haber pasado por un proceso de rectificacion en medio del puente de diodos, y del proceso de filtrado por medio del condensador, el rizo obtenido es muy bajo por lo que casi no se logran ver variaciones en la misma y la regulacion se ve en el valor medio que se obtuvieron ; para la de 50 omhnios se tiene un voltaje de 10.8 V y para la de 100 ohmnios, la salida que se tiene es de 11,6V, por lo que al restar estos dos valores obtenemos un voltaje de 0,8V, valor que es un poco mayor al 5% requerido en las especificaciones del diseño. En las imágenes 22 y 23 se observan las simulaciones obtenidas y sus graficas de la fuente con las resistencias de regulación de carga de 100 y 50 ohmios respectivamente, los valores medios de las señales no son los mismos que los obtenidos en la práctica, esto debido a que el transformador usado para la fuente no arrojaba 12 voltios exactamente sino que variaba entre 13 y 14 Voltios, pero algo que se puede apreciar es que el factor de regulación es muy similar, ya que en la simulación nos arroja valores medios de 10.2 y 9.4 respectivamente, que al realizar la resta de estos dos obtenemos que el factor es de 0.8V, el cual es igual al obtenido en el circuito físico y medido con el osciloscopio.

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Figura 25. Diseño en 3D del circuito impreso

VI. CONCLUSIONES  Figura 22. Simulación fuente con resistencia 100Ω

Cuando se verifico el correcto funcionamiento de la fuente con un correcto valor del rizo y factor de regulación, se realizó el diseño del circuito impreso (imagen 24) con los mismos dispositivos usados en el montaje de Protoboard, haciendo uso de un elemento de mas, un switch de dos posiciones con el fin de que nos sirva a manera de selector cuando queramos cambiar la resistencia de 100 a 50 ohmios y viceversa, se usaron de igual manera los 5 diodos zener para resolver el problema de recalentamiento y posterior falla de los mismos y los dos capacitores de 4700µF para llegar al valor de capacitancia requerido tal y como se muestra en la imagen 25, el cual es una visión cercana de cómo luciría el circuito una vez cada uno de sus componentes estén ubicados en sus lugares, también se parecía el diseño de cada una de las pistas una vez impresas y puestas sobre la báquela.





Se lograron hacer uso de algunas de las aplicaciones más básicas y esenciales de los diodos con la finalidad de saber el porqué y el para que de estos, mediante una forma teórica y práctica, comprobando lo que se realizaba en los cálculos mediante una manera práctica, afianzando de esta manera los conocimientos adquiridos antes y durante la realización del laboratorio. Se diseñó una fuente regulada de voltaje haciendo énfasis en el uso de los diodos como lo son un diodo común y un diodo zener, junto con otra variedad de dispositivos que se habían trabajado con anterioridad como lo son resistencias y capacitores, condensando de esta manera los conocimientos que se traían con anterioridad y los adquiridos durante la práctica. Se pusieron en práctica aplicaciones para los diodos que son esenciales en cualquier circuito electrónico como lo es el de regular, rectificar y/o limitar, dándonos a entender la manera correcta en cómo esta deben ser usados en dichos circuitos. REFERENCIAS

[1] [2]

[3] [4]

Figura 23. Simulación fuente con resistencia 50Ω

Figura 24. Circuito en PCB

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