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Configuraciones con Diodos Javier Eduardo Guti´errez, Johan Alejandro Lopez Arias, Sergio Alirio Molina Garzon {jaegutierrezser, johalopezari, samolinag}@unal.edu.co Electr´onica An´aloga I - Grupo 3

Resumen—This document presents of analysis of different designs and given circuits employing several diode arrays and other electronic devices. The diodes are useful for shaping different circuits and modifying the voltage or current output for different applications such as increasing the DC level of an AC wave, limiting the voltage or converting an AC signal into DC. Index Terms—Diodo, Resistor, Capacitor, circuito sujetador, circuito rectificador, circuito limitador, circuito recortador, A.C (Corriente alterna), D.C (Corriente directa), Funci´on de Transferencia.

I.

´ I NTRODUCCI ON

D

Espues de haber adquirido distintos conocimientos pr´acticos del funcionamiento de los diodos y sus correspondientes caracter´ısticas en las practicas anteriores, ahora es importante conocer e identificar las diferentes aplicaciones y usos de los diodos en el mundo de la electr´onica, adem´as de asociar el conocimiento adquirido en la conformaci´on y comportamiento de distintos tipos de circuitos usados muy a menudo en la electr´onica an´aloga de estos tiempos como los son los circuitos sujetadores, limitadores y multiplicadores. En general, es imperativa la necesidad de generar determinadas se˜nales a partir de entradas AC. Es decir, de generar las se˜nales que se requieran considerando l´ımites inferiores y superiores (para no da˜nar alg´un dispositivo), desplaz´andolas verticalmente, (para obtener la se˜nal de salida dentro de un rango) o convirtiendo dicha se˜nal AC en DC (tener una salida de tensi´on constante). II.

´ R ESULTADOS Y A N ALISIS DE R ESULTADOS

Para el desarrollo de la tercera pr´actica de laboratorio de electr´onica an´aloga, se requiri´o el uso de los siguientes elementos: Generador de Se˜nales Osciloscopio de Doble traza 2 Mult´ımetros 2 Sondas Fuente Dual Diodos 1N4004 Conversor 3 a 2 La pr´actica de laboratorio de desarrolla en dos etapas, la primera consiste en el desarroll´o, implementaci´on y an´alisis de los circuitos propuestos en la gu´ıa de laboratorio No.3 (Configuraciones de Diodos), y en la segunda parte de la pr´actica se basa en el dise˜no de distintos circuitos, los cuales cumplen cuatro requerimientos establecidos en la gu´ıa de la pr´actica experimental [1].

II-A.

Configuraciones con Diodos

En esta etapa de la pr´actica se exhibe el an´alisis de los circuitos propuestos en la gu´ıa de laboratorio No.3 [1] (ya dise˜nados por los Docentes de la asignatura), con el objetivo de observar mas a fondo sus respectivos comportamientos. Circuito Recortador propuesto 1 (CP1) En el primer circuito implementado, el cual se muesta en la figura 1 el cual tiene como se˜nal de entrada una onda senosiodal de 10 Vp y una frecuencia de 100Hz, al examinar la relaci´on entre la se˜nal de entrada y la de salida (experimental y te´orica), la cual se muestra en las figuras 2 y 3 se puede determinar que este circuito corresponde a un recortador, el cual en este caso en particular recorta las crestas y los valles de la se˜nal de manera sim´etrica, y la funci´on de transferencia de este tipo de circuitos se observa claramente en las figuras 4 y 5.

Figura 1. Circuito propuesto 1.

A partir de lo expuesto, es de esperarse que la funci´on de transferencia de los circuitos recortadores sea una funci´on a trozos, la cual tendr´a un valor constante en diferentes intervalos, en este caso en particular el circuito recorta las crestas y los valles de la se˜nal de entrada, por lo tanto la funci´on de transferencia es constante en dos intervalos, as´ı se obtiene que la funci´on de transferencia para el circuito 1 esta definida por la expresi´on 1:

 3, 8V      V1 f (t) =      −3, 8V

si

V1 ≥ 3, 8

si −3, 8V < V1 < 3, 8V si

V1 ≤ −3, 8V

(1)

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voltaje de ca´ıda constante, sin embargo, el voltaje de ca´ıda en este caso en particular seria igual a 0,8V.

Figura 2. salida esperada de CP1.

Circuito Recortador propuesto 2 (CP2) El segund´o montaje propuesto en la guia de laboratorio No.3 (1), correspondiente a la figura 6, es un circuito alimentado por una se˜nal sinusoidal de 10 Vp a una frecuencia de oscilaci´on de 100 Hz. Para verificar el funcionamiento del circuito, se le realiza la correspondiente simulaci´on la cual es detallada en la figura 7, en donde se puede reconocer que el circuito corresponde a un circuito recortador, con caracter´ısticas muy similar al de la figura 1 que es un circuito recortador. Debido a que este circuito (fig.6) presenta una configuraci´on con fuentes DC, la se˜nal de alimentaci´on es recortada en dos puntos diferentes a las del circuito anterior. Posteriormente se realiza el montaje en laboratorio del circuito (CP2), para el cual se obtiene las respectivas se˜nales de entrada y de salida (Te´oricas ”Simulaciones Experimentales), las cuales se muestran en las figuras 7 y 8 respectivamente, adem´as se observa su correspondiente funci´on de transferencia observada en las figuras 9 y 10. 2

Figura 3. Salida obtenida de CP1.

Figura 6. Circuito propuesto 2. Figura 4. Funci´on de transferencia esperada de CP1.

Una vez realizadas las mediciones del circuito de la figura 6, se observa que los datos coinciden de manera aproximada con los datos obtenidos por la simulaci´on y al igual que el circuito anterior la funci´on de transferencia esta dada por una funci´on por partes, la funci´on de transferencia aproximada de este circuito esta dada por la siguiente expresi´on 2:

Figura 5. Funci´on de transferencia obtenida de CP1.

Es importante notar que los valores de la funci´on 1 est´an basados en los resultados obtenidos y nos indican que el diodo utilizado se puede modelar como un diodo con

 5, 8V      V1 f (t) =      −0, 8V

si

V1 ≥ 5, 8

si −0, 8V < V1 < 5, 8V si

V1 ≤ −0, 8V

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ser recortada en el r´egimen positivo.Por esto mismo la funci´on de transferencia es plana cuando se encuentra en el eje horizontal negativo pero se mantiene como pendiente en el positivo sin llegar a aplanarse para el valor de 5 en el eje Y.

Figura 7. salida esperada de CP2.

Circuito Fijador propuesto 3 (CP3) El tercer circuito propuesto en la gu´ıa de laboratorio No.3 [1], corresponde al montaje que se presenta en la figura 11, el cual se componen por una fuente de alimentaci´on de se˜nal sinusoidal de 10 Vp a 100 Hz, se utiliza el mismo procedimiento de los circuitos anteriores, en los cuales primero se procede a realizar el an´alisis de funcionamiento por medio del uso del simulador. Por medio de la simulaci´on, se observa que la funci´on del circuito es de sujetador negativo de 4 V como se observa en la figura 12, es decir, sujeta la se˜nal de entrada del circuito y la desplaza 4 V hacia abajo, lo cual se puede constatar al realizar el montaje experimental en donde se obtiene por medio del uso del osciloscopio la se˜nal de salida presente en la figura 13.

Figura 8. Salida obtenida de CP2.

Figura 11. Circuito propuesto 3. Figura 9. Funci´on de transferencia esperada de CP2.

Para realizar la comparaci´on de la se˜nal de entrada respecto a la se˜nal de salida del circuito (CP3), se procede a hacer uso del osciloscopio en su modo de funci´on de transferencia XY, en donde se obtiene los resultados expuestos en las figuras 14 y 15, las cuales representan la funci´on de transferencia del circuito en estudio (CP3).

Figura 10. Funci´on de transferencia obtenida de CP2.

Como se puede observar al comparar la figura 7 con la figura 8, as´ı como las figuras 9 y 10. Se puede ver que para el r´egimen positivo la se˜nal no es recortada. Esto se debe a un error en el desarrollo de la practica pues el valor de entrada de la se˜nal deb´ıa ser 10V pico sin embargo se usaron 5V pico por lo que la se˜nal no llega

Figura 12. salida esperada de CP3.

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Figura 16. Circuito propuesto 4.

Figura 13. Salida obtenida de CP3.

La funci´on de transferencia experimental y te´orica (simulaci´on) del circuito implementado se observa en las gr´aficas 19 y 20, en la cual se puede identificar que el circuito en estudio representa un circuito multiplicador de tensi´on, el cual transforma una onda de se˜nal AC en una salida en DC de -3,2 V, con relaci´on a la funci´on de transferencia se observa que la se˜nal Vin Vs Vout es una linea horizontal que corta el eje en -3,2 V, lo cual define que la se˜nal de salida del circuito esta dada por la expresi´on 4 Figura 14. Funci´on de transferencia esperada de CP3.

Vo = −3, 2V

Figura 15. Funci´on de transferencia obtenida de CP3.

Se determina seg´un las gr´aficas 14 y 15, que la funci´on de transferencia del circuito CP3 es una linea recta que corta en el eje Y en -4 V, por lo cual se determina que la funci´on de transferencia del circuito esta dada por le expresi´on 3: Vo = Vin − 4 V

Figura 17. salida esperada de CP4.

(3)

Circuito Multiplicador a -3,2 V propuesto 4 (CP4) Por u´ ltimo se implementa el montaje de circuito mostrado en la figura 16, el cual posee una fuente de alimentaci´on sinusoidal de 2 Vp a una frecuencia de 100 Hz. La comparaci´on entre la se˜nal de entrada y la de salida se expone en las figuras 17 y 18, las cuales corresponden al an´alisis por medio de simulaci´on y la pr´actica del circuito respectivamente.

Figura 18. Salida obtenida de CP4.

(4)

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Figura 19. Funci´on de transferencia esperada de CP4. Figura 22. salida esperada de D1.

Figura 20. Funci´on de transferencia obtenida de CP4.

Figura 23. Salida obtenida de D1.

II-B.

Circuitos Dise˜nados

En esta segunda etapa de la pr´actica se exhibe el an´alisis de los circuitos dise˜nados seg´un los requerimientos solicitados en la gu´ıa de laboratorio No.3 [1], con el fin de analizar mas a fondo su comportamiento, y as´ı comprobar su correcto funcionamiento.

Para el circuito de la figura 21, se tiene que los datos de la simulaci´on de la figura 22 coinciden perfectamente con los datos obtenidos vistos en la figura 23. De modo que la tensi´on de la salida siempre es V0 ≥ 0.

Dise˜no 1: Circuito Rectificador de Onda Completa. (D1)

Dise˜no 2: Se˜nal V (t) desplazada +2 V. (D2)

Se tiene el requerimiento de dise˜nar un circuito rectificador de onda completa el cual permita obtener una se˜nal de salida como la mostrada en la figura 1 de la gu´ıa de laboratorio No.3 [1], la cual debe tener una amplitud aproximadamente de 3,6 V y un periodo de 25 ms.

De acuerdo con la gu´ıa de laboratorio No.3 [1], se tiene la solicitaci´on de dise˜nar un circuito para que una se˜nal de V (t) = 5sin (wt) con frecuencia de 1 kHz, se ubique en los niveles indicados en la Figura 2 de la gu´ıa [1], en el cual se use resistencias, condensadores y diodos. El dise˜no del circuito de la figura 24, corresponde a un circuito sujetador que produce un offset en la se˜nal de +2V.

Figura 21. Circuito propuesto 1.

Figura 24. Dise˜no 2.

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Dise˜no 3: Se˜nal V (t) desplazada -4 V. (D3)

Figura 25. salida esperada de D2.

De acuerdo con la gu´ıa de laboratorio No.3 [1], se tiene la solicitaci´on de dise˜nar un circuito para que una se˜nal de V (t) = 5sin (wt) con frecuencia de 1 kHz, se ubique en los niveles indicados en la Figura 3 de la gu´ıa [1], en el cual se use resistencias, condensadores y diodos. El circuito de la figura 29 tambi´en corresponde a un circuito sujetador, pero en este caso produce un offset de -4V.

Figura 29. Dise˜no 3. Figura 26. Salida obtenida de D2.

Las figuras 25 y ?? permiten observar que los datos de la simulaci´on y los obtenidos en el laboratorio (respectivamente), son iguales entre si.

Figura 30. salida esperada de D3. Figura 27. Funci´on de transferencia esperada de D2.

Figura 28. Funci´on de transferencia obtenida de D2.

Del mismo modo las funciones de transferencia vistas en las figuras 27 y ?? son coincidentes. Y forman un segmento pendiente que inicia en -3V y termina en 7V en el eje Y para unos valores de -5V a 5V en el eje X el cual corresponde a la se˜nal de la fuente.

Figura 31. Salida obtenida de D3.

Las figuras 30 y ?? son congruentes entre si, y permiten visualizar el desplazamiento al cual la se˜nal es sometida.

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Figura 35. salida esperada de D4. Figura 32. Funci´on de transferencia esperada de D3.

Figura 36. Salida obtenida de D4. Figura 33. Funci´on de transferencia obtenida de D3.

Por otra parte, al observar las funciones de transferencia de im´agenes las 32 y 33 es posible observar , que se sigue manteniendo una pendiente positiva que inicia en -9V en Y para un valor de -5V en X y culmina en 1V en Y para un valor de 5V en Y.

En esta ocasi´on es posible observar un ligero desfase entre la se˜nal de la fuente y la de salida que se observa en la figura 35 y que no corresponde a la figura 34. Al comprobar varias veces las salida se llego a la conclusi´on que el desfase se deb´ıa a un error de medici´on instrumental.Posiblemente asociado a las sondas usadas en la practica.

Dise˜no 4: Se˜nal senoidal de 8V de amplitud, desplazada 8V y recortada en 3V hacia arriba y hacia abajo. (D4) De acuerdo con la gu´ıa de laboratorio No.3 [1], se tiene la solicitaci´on de dise˜nar un circuito para que una se˜nal de V (t) = 8sin (wt) con frecuencia de 1 kHz, se sujete a un nivel D.C. de 8V y se recorte en 3V hacia arriba y 3V hacia abajo, como se muestra en la Figura 3 de la gu´ıa [1], en el cual se use resistencias, condensadores y diodos.

Figura 37. Funci´on de transferencia esperada de D4.

Figura 34. Dise˜no 4.

El circuito final que se encuentra en la figura 34 corresponde a un circuito recortador y sujetador.

Figura 38. Funci´on de transferencia obtenida de D4.

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Debido al error visto en la figura 35, se procedi´o a cambiar de sonda como de equipos de medici´on, por lo que en las figuras 36 y ?? son coincidentes. Sin embargo, no fue posible determinar la causa del desfase producido en la se˜nales de entrada y salida vistas anteriormente. III.

PREGUNTAS SUGERIDAS

¿Qu´e dificultades encuentra en la realizaci´on de las mediciones? Las mayores dificultades se encontraron en los equipos del laboratorio. Espec´ıficamente en las sondas ,las cuales no conducen correctamente en una posici´on normal por lo que fue necesario cambiarlas despu´es de realizar varios intentos de medir con ellas. En adici´on, al elegir un dise˜no poco convencional para el circuito rectificador, no se observo antes de la practica que medir la entrada del circuito con el osciloscopio seria imposible debido a que generar´ıa un corto. Por esto mismo tampoco fue posible realizar una medici´on de funci´on de transferencia. Por otra parte, el circuito de la figura 35 se vio un desfase entre las se˜nales de entrada y salida. Lamentablemente no fue posible identificar la fuente de error pero se supone que se debi´o a alguno de los instrumentos de medici´on como posiblemente las sondas. ¿Encuentra diferencias entre las mediciones, los c´alculos de dise˜no y los resultados de simulaci´on? ¿A qu´e atribuye las diferencias si las hay? Si, las diferencias son evidentes, ya que para la toma de mediciones influyen muchas mas variables como la temperatura de los elementos que varia sus propiedades como la resistencia interna o la barrera de potencial que depende del material de construcci´on de cada diodo. Para los c´alculos realizados y las simulaciones estas propiedades se toman como valores constantes, se aproximan a alg´un valor, en el caso de la barrera de potencial, o no se tienen en cuenta. Recordando especificamente el circuito de la figura ??.Se observ´o que las mediciones no correspond´ıan con las simulaciones debido a que existi´o un error al ingresar la tensi´on en la fuente. ¿En el circuito recortador puede presentarse el caso en el cual los dos diodos conducen en un mismo instante de tiempo? Si, teniendo en cuenta el tiempo de recuperaci´on inversa de los diodos hay un momento muy corto de tiempo en que los 2 pueden conducir valores muy bajos de corriente y voltaje. ¿C´omo se puede identificar si el tipo de circuito es un recortador, multiplicador, sujetador o un rectificador? Recortador: Para identificar un recortador es necesario asegurarse que la amplitud de la onda a recortar supere la magnitud de la(s) fuentes DC que polarizan el(los) diodos y que estos est´en en sentidos contrarios, de tal manera que el voltaje de las fuentes DC limite la amplitud de la onda. Multiplicador: En los circuitos multiplicadores la funci´on de transferencia tienen un valor constante para

el voltaje de salida, debido a que la funci´on de estos circuitos es convertir una se˜nal AC a una DC, es decir de voltaje constante. Sujetador: Se identifica porque utiliza un elemento que almacena energ´ıa, como un capacitor que entrega la energ´ıa almacenada en el sentido al cual se quiere sujetar. Para que esto funcione el tiempo de descarga del capacitor debe ser muy grande con respecto a medio ciclo de la onda. Es decir RC >> T /2. Rectificador: Se identifica porque los diodos est´an puestos de tal manera que conducen la parte negativa o positiva de la onda en un sentido, es decir que la parte negativa (como normalmente se hace) se conduzca en el sentido positivo. ¿Qu´e ocurre en cada circuito cuando se incrementa la frecuencia de la fuente de alimentaci´on? Al aumentar la frecuencia en la fuente de alimentaci´on, la se˜nal de salida del circuito se empieza a tornar mas inestable, debido a que los tiempos de recuperaci´on en el diodo dependen de la frecuencia a la cual se esta trabajando el componente, por tal se tendr´ıa se˜nales de salida incongruentes con respecto a los resultados esperados al aumentar la frecuencia. ¿C´omo se afecta el comportamiento de cada circuito si se cambia la forma de la se˜nal de entrada o su amplitud? Si se cambia la onda de entrada, la onda de salida mantendr´ıa la misma forma, ya que los circuitos influyen en sus niveles m´aximos y m´ınimos, en el caso de los recortadores, o en el caso de los sujetadores se puede considerar como una suma a nivel DC. En general la forma de la onda se mantiene, cambian sus valores m´aximos y m´ınimos o su nivel DC. IV.

CONCLUSIONES

La funci´on de transferencia determina la clase de circuito con la cual se esta trabajando debido a que cada funci´on determina los puntos clave de cada circuito y permite definir completamente el efecto que tiene el circuito sobre una se˜nal de entrada determinada. En los circuitos rectificadores no es posible visualizar la funci´on de transferencia en el osciloscopio debido a que la se˜nal de entrada y de salida tienen diferentes tierras en el circuito, lo cual implica que si se intentara visualizar ambas se˜nales al mismo tiempo se har´ıa un corto por la tierra del osciloscopio y se obtendr´ıa una se˜nal incongruente tanto con la salida como con la entrada. Cuando se trabaja con diodos, siempre se debe tener en cuenta que se esta utilizando dispositivos reales, por lo tanto se tiene que tener en cuenta que los modelos te´oricos siempre tendr´an un margen de error al comparar los datos con los datos obtenidos en la pr´actica, as´ı como los valores simulados debido a los m´etodos de c´alculo que utilizan los simuladores para hallar los valores de la se˜nal de salida. Cuando se dise˜nan circuitos que utilicen condensadores, se debe tener en cuenta que la frecuencia de la onda

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que alimenta el circuito y el τ del condensador tienen que ser los idoneos, en particular se debe tener un τ mucho mayor al periodo de la se˜nal de alimentaci´on del circuito, con el fin de que el tiempo en que el condesador se encuentra descarg´andose se el suficiente para que no distorsione la se˜nal. B IBLIOGRAF´I A [1] VALBUENA, Julian. Publicado en el a˜no 2018 .Gu´ıa de Laboratorio No.3: CONFIGURACION CON DIODOS. [2] A.S. Sedra y K.C. Smith, Microelectronic Circuit. 6ta Ed. Oxford University press. Argentina. 2015. [3] Datasheet diode 1N4004, Vishay Semiconductors, 2017. [Online]. Disponible en: http://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/14621/PANJIT/1N4004.html [Visitado: 25- Sep- 2018].