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• Jorge Vallejos

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO 2016-A FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA

EXP 1: RESPUESTA ESTATICA Y DINAMICA DEL DIODO SEMICONDUCTOR DE POTENCIA (CURVA CARACTERISTICA DE LOS DIODOS) 1. OBJETIVOS 1. Conocer los principios de la construcción y el funcionamiento de un diodo semiconductor. 2. Conocer los principios de la construcción y el funcionamiento de otros diodos como el Zener y el LED. 3. Conocer algunas de las aplicaciones de un diodo de propósito general, un diodo Zener y un LED. 4. Analizar, diseñar y construir circuitos utilizando uno o varios diodos.

2. MARCO TEORICO DIODO RECTIFICADOR Un diodo (del griego: dos caminos) es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección con características similares a un interruptor. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest.

POLARIZACION DIRECTA

POLARIZACION INVERSA

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DIODO ZENER La corriente en la región Zener tiene una dirección opuesta a la d un diodo polarizado directamente. El diodo Zener es un diodo que ha sido diseñado para trabajar en la región Zener.

De acuerdo con la definición, se puede decir que el diodo Zener ha sido diseñado para trabajar con voltajes negativos (con respecto a él mismo). Es importante mencionar que la región Zener (en un diodo Zener) se controla o se manipula variando los niveles de dopado. Un incremento en el número de impurezas agregadas, disminuye el potencial o el voltaje de Zener VZ. POLARIZACION: Montamos el siguiente circuito.

Circuito de polarización directa de un diodo zener

CURVA CARACTERISTICA: La curva de un diodo semiconductor (o diodo real) se puede definir por la siguiente ecuación:

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Para un diodo de silicio la corriente de saturación inversa IS aumentará cerca del doble en magnitud por cada 10° C de incremento en la temperatura. Debido a la forma que tiene la curva característica del diodo, mostrada anteriormente, y la forma compleja de la ecuación, con frecuencia se utiliza un modelo simplificado:

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El modelo simplificado se puede utilizar siempre que la resistencia de la red y/o de los dispositivos junto a los cuales se conectará el diodo sea mucho mayor que la resistencia promedio del diodo rd, la cual se podría calcular como rd, en promedio, la resistencia de un diodo de pequeña señal es de 26Ω. Red >> rd. DIODO EMISOR DE LUZ (LED) El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se encuentra polarizado. El voltaje de polarización de un LED varía desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA. Principio de Funcionamiento: En cualquier unión P-N polarizada directamente, dentro de la estructura y principalmente cerca de la unión, ocurre una recombinación de huecos y electrones (al paso de la corriente). Esta recombinación requiere que la energía que posee un electrón libre no ligado se transfiera a otro estado. En todas las uniones P-N una parte de esta energía se convierte en calor y otro tanto en fotones. En el Si y el Ge el mayor porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta razón se utiliza otro tipo de materiales para fabricar los LED's, como Fosfuro Arseniuro de de Galio (GaAsP) o fosfuro de Galio (GaP).

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Otros diodos son: • Diodos Schottky (Diodos de Barrera). • Diodos Varactores o Varicap. • Diodos Tunel. • Fotodiodos. • Diodos emisores de luz infrarroja. • Diodo de inyección láser (ILD). Los diodos emisores de luz se pueden conseguir en colores: verde, rojo, amarillo, ámbar, azul y algunos otros.

3. MATERIALES 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Generador De Funciones Osciloscopio Aislador De Tierras Multímetro Digital Y//O Analógico Juego De Cables Protoboard Resistencia De 1k Diodo De Silicio (1n4001) Diodo De Germanio (Ecg109 U Otro) Led Rojo, Verde O Amarillo Diodo Zener 3v,2.7v O 6v

4. DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA Medición de polarización directa e inversa:

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO 2016-A FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Prueba Polarización directa Polarización inversa

Si

Ge

LED

Zener

614.4Ω 50.329 KΩ

365.95Ω

2.8Ω

105.2Ω

22.7KΩ

2.3Ω

2.4ΩM

IMPLEMENTACION DEL CIRCUITO 1



Curva caracteriza del diodo medido en el osciloscopio

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Vr E Vd Id

0.67V 5V 0.66V 4.33mA

Donde: Vr: caída de voltaje de la resistencia E: Voltaje de la fuente Vd: voltaje del diodo Id: intensidad de corriente en el diodo IMPLEMENTANDO EL CIRCUITO 2:



Curva caracteriza del diodo medido en el osciloscopio

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Vr E Vd Id

0.014V 7.04V 0.027V 0.391Ma

CURVA CARACTERISTICA DE LOS DIODOS EN GENERAL

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5. CUESTIONARIO 1.- Investigue por que el aislamiento entre generadores/ fuentes y el osciloscopio es necesario. El neutro de una distribución eléctrica de baja tensión debe estar conectado a tierra, solamente a la salida del transformador que reduce la tensión media al valor de distribución domiciliaria (110 - 220 Voltios), nunca en la instalación del abonado. Es decir el neutro y la tierra en casa del abonado deben ser independientes. La tierra debe ir conectada exclusivamente a los cuerpos metálicos de los aparatos conectados a la red. El propósito es que si hay un peligroso contacto accidental de la línea con la masa, la corriente en lugar de regresar al transformador por el neutro, lo haga por la conducción entre ambas tierras, con lo que se disparan los protectores diferenciales, que interrumpen el servicio hasta que la falla de aislamiento ha sido solventada. En los aparatos electrónicos que lleven una fuente de alimentación provista de un transformador (bien sea un transformador convencional, o el de una fuente de alimentación conmutada) que establece un aislamiento galvánico entre primario y secundario, las tensiones de salida de las mismas, junto con el cuerpo metálico del aparato se conectan a tierra. Los osciloscopios están aislados galvánicamente de la red, por lo cual el punto

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO 2016-A FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA cero de las alimentaciones internas debe conectarse a masa, y ésta a tierra. Se evita con ello que el osciloscopio pueda captar tensiones que interfieran con las que se quiere observar o medir. 2.- Investigue el comportamiento de un diodo ideal y real, el funcionamiento de un diodo de unión pn, y el origen de las curvas características de los últimos. ¿Qué significa que un diodo este polarizado en forma directa o en inversa?

Curva de funcionamiento del diodo “PN”:

Diodo polarizado en forma directa:

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO 2016-A FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA En definitiva el diodo, unión PN o semiconductor PN, como queramos llamarlo, se comporta como un conductor de la corriente eléctrica en polarización directa. Mientras esté conectado a la fuente de alimentación o pila, la bombilla del circuito lucirá. Para que la unión empiece a ser conductora hay que ponerle a una pequeña tensión en polarización directa. Diodo polarizado en forma inversa:

Al inyector electrones en la zona P, rellenarán los huecos, portadores mayoritarios de la zona P, y estos electrones formarán más iones negativos o aniones al rellenar los huecos de los enlaces que todavía no se habían rellanado y la región de agotamiento aumentará, aumentaremos el potencial negativo en esta zona o lo que es lo mismo, tendremos mayor d.d.p. o tensión en la unión. En estas condiciones los electrones de la zona N lo tienen cada vez más difícil pasar a la zona P con lo que la unión PN se comporta como un aislante en polarización inversa. 3.- Investigue que función matemática describe el comportamiento del diodo de unión pn y como esa afectado por la temperatura. El modelo matemático del diodo de unión P-N fue desarrollado por Shockley (Tyagi, 1991) y es el que se utiliza con mayor frecuencia. Para estudiar el modelo por simplificación inicialmente consideraremos que la resistencia serie en el diodo (rs) es igual a cero. Bajo esta consideración, el voltaje aplicado a las terminales del diodo será igual al voltaje en la unión P-N, por lo que la corriente del diodo de unión se describe como una función del voltaje aplicado VD (Tyagi, 1991):

Donde IS es la corriente de saturación, n es el factor de idealidad del diodo, VD es el voltaje a través de la región (carga espacial), q es el valor de la carga del

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO 2016-A FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA electrón, k es la constante de Boltzmann igual a

−23

1.38 e

J K

y T es la

temperatura de la unión en grados Kelvin (300 K). 4.- Investigue la diferencia de comportamiento de un diodo de germanio y de silicio. La construcción de un diodo de silicio comienza con silicio purificado. Cada lado del diodo se implanta con impurezas (boro en el lado del ánodo y arsénico o fósforo en el lado del cátodo), y la articulación donde las impurezas se unen se llama la "unión pn". Los diodos de silicio tienen un voltaje de polarización directa de 0,7 voltios. Una vez que el diferencial de voltaje entre el ánodo y el cátodo alcanza los 0,7 voltios, el diodo empezará a conducir la corriente eléctrica a través de su unión pn. Cuando el diferencial de voltaje cae a menos de 0,7 voltios, la unión pn detendrá la conducción de la corriente eléctrica, y el diodo dejará de funcionar como una vía eléctrica. Debido a que el silicio es relativamente fácil y barato de obtener y procesar, los diodos de silicio son más frecuentes que los diodos de germanio. Los diodos de germanio se fabrican de una manera similar a los diodos de silicio. Los diodos de germanio también utilizan una unión pn y se implantan con las mismas impurezas que los diodos de silicio. Sin embargo los diodos de germanio, tienen una tensión de polarización directa de 0,3 voltios. El germanio es un material poco común que se encuentra generalmente junto con depósitos de cobre, de plomo o de plata. Debido a su rareza, el germanio es más caro, por lo que los diodos de germanio son más difíciles de encontrar (y a veces más caros) que los diodos de silicio. 5.- Investigue el comportamiento de los diodos emisores de luz (LED). La estructura del chip de los diodos LED, al contrario de lo que ocurre con los diodos comunes, no emplea cristales de silicio (Si) como elemento semiconductor, sino una combinación de otros tipos de materiales, igualmente semiconductores, pero que poseen la propiedad de emitir fotones de luz de diferentes colores cuando lo recorre una corriente eléctrica. Un diodo LED emisor de luz roja, por ejemplo, emplea un chip compuesto por arseniuro de galio y aluminio (GaAlAs), mientras que para emitir luz azul utiliza un chip de nitruro de galio (GaN). Todas las combinaciones empleadas en la fabricación del chip de un diodo LED, poseen también dos polaridades o regiones diferentes: una negativa “N” correspondiente al cátodo y otra positiva

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO 2016-A FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA “P” correspondiente al ánodo, al igual que ocurre con los diodos comunes de silicio (Si). 6.- Investigue el comportamiento del diodo Zener y el origen de su curva característica. Cuando lo polarizamos inversamente y llegamos a Vz el diodo conduce y mantiene la tensión Vz aunque la aumentemos. La corriente que pasa por el diodo Zener en estas condiciones se llama corriente inversa (Iz). Se llama zona de ruptura por encima de Vz. Como ves es un regulador de voltaje o tensión. Cuando está polarizado directamente el Zener se comporta como un diodo normal. Pero mientras la tensión inversa sea inferior a la tensión Zener, el diodo no conduce, solo conseguiremos tener la tensión constante Vz, cuando esté conectado a una tensión igual a Vz o mayor. Aquí puedes ver una la curva característica de un Zener:

Para el Zener de la curva vemos que se activaría para una Vz de 5V (zona de ruptura), lógicamente polarizado inversamente, por eso es negativa. En la curva de la derecha vemos que sería conectado directamente, y conduce siempre, como un diodo normal.

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6. CONCLUSIONES Con esta práctica pudimos ver otra utilidad importante de los diodos. Ya que se puede formar una gran cantidad de circuitos recortadores y sujetadores para diversas utilidades como la generación de señales de pulso, circuitos corta picos ,etc.

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Para realizar estos circuitos siempre debe de quedar muy claro que siempre se va a trabajar con diodos reales así que no siempre se debe esperar los resultados teóricos.

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Un circuito recortador puede servir para limitar el voltaje de un circuito sin afectar la forma de onda.

7. BIBLIOGRAFIA Y/O WEBAGRAFIA  http://rodin.uca.es/xmlui/bitstream/handle/10498/14764/ practica%202%20diod%20prot.pdf?sequence=1  http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema 3/Paginas/Pagina4.htm  https://es.scribd.com/doc/13280951/3/Curvascaracteristicas-ideal-real-y-aproximadas-de-un-diodo  COMPONENTES Y SEMCONDUCTORES DEL DIODO.  DIODOS EQUIVALENCIA. PARANINFO