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CIRCUITOS CON DIODOS Andrés Felipe Aponte Puerto [email protected]

Jefferson David Martínez Pérez [email protected]

Jaime Yesid Vargas Rodríguez [email protected] II. MARCO TEORICO

Resumen: los diodos y condensadores son componentes electrónicos que poseen ciertas características, el diodo dependiendo de su polaridad ya se en directa o en inversa permite el paso de la corriente o no permite el paso. el capacitor almacena energía. En esta práctica se ven circuitos que dependiendo de su conexión van a alterar una señal de entrada ya sea recortándola, invirtiéndola, o multiplicando su amplitud y volverla una función constante. Estos circuitos ya tienen un nombre y estructura definida, como lo son el recortador serie y paralelo, sujetado y multiplicador de voltaje. Palabras Clave: Carga, Circuito, Condensador, Diodo, Grafica de entrada y salida.

Abstract: diodes and capacitors are electronic components that have certain characteristics, the diode depending on its polarity either in direct or inverse allows the passage of current or does not allow the passage. the capacitor stores energy. In this practice there are circuits that depending on their connection will alter an input signal either by cutting it, inverting it, or multiplying its amplitude and making it a constant function. These circuits already have a defined name and structure, such as the series and parallel trimmer, clamp and voltage multiplier. Keywords: Charge, Circuit, Capacitor, Diode, Input and output graph. I.



Recortadores: Los recortadores son redes que emplean diodos para “recortar” una parte de una señal de entrada sin distorsionar la parte restante de la forma de onda aplicada [1].



Sujetadores: Un sujetador es una red compuesta de un diodo, un resistor y un capacitor que desplaza una forma de onda a un nivel de cd diferente sin cambiar la apariencia de la señal aplicada [1].



Multiplicador de voltaje: Se emplean para mantener un valor pico del voltaje de transformador relativamente bajo al mismo tiempo que eleva el valor pico del voltaje de salida a dos, tres, cuatro o más veces el voltaje pico rectificado [1]. III. OBJETIVO GENERAL 

Analizar y comprender cada uno de los circuitos con diodos tanto experimental teórica y en la simulación. IV. OBJETIVOS ESPECIFICOS 

INTRODUCCION 

El diodo es uno de los dispositivos semiconductores más importantes y representativos que existen. Debido a sus características de funcionamiento y su amplia diversidad de aplicaciones, a diario utilizamos aparatos que hacen uso de este tipo de elementos. Esta práctica está enfocada en esbozar las características del diodo y analizar el comportamiento de este en cada uno de los semiciclos de una onda.



Identificar algunos parámetros relevantes de los diodos en las hojas de especificaciones que se deben considerar para algunos diseños. Determinar teóricamente, mediante simulación y experimentalmente la forma de onda de la señal de salida para algunos circuitos con diodos. Comparar y aclarar las diferencias encontradas entre los valores prácticos, de simulación y teóricos. V. MATERIALES    

Osciloscopio. Generador de Señales. Fuente(s) de alimentación DC Protoboard

   

Diodos 1N4004, 1N4148 o similares. Resistencias de diferentes valores. Capacitores (10uF y 100uF a más de 35V). Multímetro VI. PROCEDIMIENTO

1.1) Incluya los análisis de cada circuito indicando la forma de onda de salida y justificando mediante ecuaciones. Estos valores serán anexados al final de este informe (anexo 1). 1.2) Obtenga las formas de salida de onda mediante simulaciones

V.I RECORTADORES DE VOLTAJE CON DIODOS Implemente los siguientes circuitos y verifique matemática y experimentalmente la forma de onda de la señal de salida. La señal de trabajo para recortadores en serie será una señal triangular con una frecuencia de 1500 Hz y una amplitud de 8,5 V y para los recortadores en paralelo utilizar una señal senoidal a la misma frecuencia y amplitud, El valor de fuente V=3 V si el ultimo digito del código del primer integrante del grupo en la lista es menor que 5, en caso contrario trabajar con un V=4,5 V, la resistencia de carga será igual al último digito del segundo integrante del grupo en 𝑘Ω.

5.0V

0V

-5.0V

V(V2:-)

10V

5V

1) Recortador en serie. Para esta práctica usamos un diodo 1N4004 una fuente de voltaje DC de 4.5V, una resistencia de 6.9k Ω y una fuente con señal triangular de amplitud 8.5V y frecuencia de 1.5kHz Debido a que no fue posible encontrar una resistencia de 7kΩ exactos se usó una de 6.9kΩ.

SEL>> 0V 0s

0.5ms V(D2:CAT)

1.0ms

1.5ms

2.0ms

Time

Fig3. Gráfica de la simulación del circuito 1.

1.3) Obtenga para cada circuito, las formas de onda halladas en el osciloscopio (fotografías) indicando claramente los parámetros de cada señal (periodo, voltajes máximos, mínimos, etc.) (Para cada recortador y sujetador, adjuntar tablas para diligenciar Valores 𝑉𝑚𝑖𝑛, 𝑉𝑚𝑎𝑥 etc.)

Fig1. Circuito1, Recortador en serie.

Fig4. Gráfica de entrada y salida del circuito 1 en el osciloscopio.

Fig2. Montaje Circuito 1

TABLA I DATOS DE ENTRADA Y SALIDA DEL CIRCUITO RECORTADOR EN SERIE CH1 CH2 Periodo

666.6u S

666.6u S

VMax

8.40V

5.40V

VMin

-5.60V

-5V

Vrms

4.3V

3.32V

Vdc

1.18V

1V

Frecuenci a

1.5kHz

1.5kHz

Después de analizar las figuras podemos evidenciar que las salidas de onda son bastante similares.

Fig6. Montaje circuito 2.

2.1) Incluya los análisis de cada circuito indicando la forma de onda de salida y justificando mediante ecuaciones. Estos valores serán anexados al final de este informe (anexo 2). 2.2) Obtenga las formas de salida de onda mediante simulaciones 10V

0V

2) Recortador en Paralelo de media onda Para esta práctica usamos un diodo 1N4004 una fuente de voltaje DC de 4.5V, una resistencia de 6.9k Ω, una resistencia de 1kΩ y una fuente sinusoidal de amplitud 8.5V y frecuencia de 1.5kHz Debido a que no fue posible encontrar una resistencia de 7kΩ exactos se usó una de 6.9kΩ.

-10V 10V

V(R2:2)

0V

SEL>> -10V 0s

V(V3:+)

1.0ms

2.0ms

3.0ms

Time

Fig7. Gráfica de la simulación del circuito 2.

2.3) Obtenga para cada circuito, las formas de onda halladas en el osciloscopio (fotografías) indicando claramente los parámetros de cada señal (periodo, voltajes máximos, mínimos, etc.) (Para cada recortador y sujetador, adjuntar tablas para diligenciar Valores 𝑉𝑚𝑖𝑛, 𝑉𝑚𝑎𝑥 etc.) Fig5. Circuito2, Recortador en paralelo de media onda

Debido a que no fue posible encontrar una resistencia de 7kΩ exactos se usó una de 6.9kΩ.

Fig9. Circuito 3, Recortador en paralelo de onda completa.

Fig8. Gráfica de entrada y salida del circuito 2 en el osciloscopio.

TABLA II DATOS DE ENTRADA Y SALIDA DEL CIRCUITO RECORTADOR EN PARALELO CH1 CH2 Periodo

666.6u S

666.6u S

VMax

8.60V

1.2V

VMin

-9.6V

-9.2V

Vrms

6.37V

4.36V

Vdc

-90mV

-2.25V

Frecuenci a

1.5kHz

1.5kHz

Fig10. Montaje circuito 3.

Después de analizar las figuras podemos evidenciar que las salidas de onda son bastante similares. 3) Recortador en paralelo de onda completa Para esta práctica usamos dos diodos 1N4004, dos fuentes de voltaje DC, una de 4.5V y otra de 6.5V, una resistencia de 6.9k Ω, una resistencia de 1kΩ y una fuente sinusoidal de amplitud 8.5V y frecuencia de 1.5kHz

3.1) Incluya los análisis de cada circuito indicando la forma de onda de salida y justificando mediante ecuaciones. Estos valores serán anexados al final de este informe (anexo 3). 3.2) Incluya los análisis de cada circuito indicando la forma de onda de salida y justificando mediante ecuaciones.

10V

TABLA III DATOS DE ENTRADA Y SALIDA DEL CIRCUITO RECORTADOR DE ONDA COMPLETA CH1 CH2

0V

-10V

Periodo

666.6u S

666.6u S

VMax

8.20V

1.2V

VMin

-5.6V

-4.8V

Vrms

5V

3.8V

Vdc

1.38V

780mV

Frecuenci a

1.5kHz

1.5kHz

V(D7:CAT)

10V

0V

SEL>> -10V 0s

V(R6:1)

1.0ms

2.0ms

3.0ms

Time

Fig11. Gráfica de la simulación del circuito 3.

3.3) Obtenga para cada circuito, las formas de onda halladas en el osciloscopio (fotografías) indicando claramente los parámetros de cada señal (periodo, voltajes máximos, mínimos, etc.) (Para cada recortador y sujetador, adjuntar tablas para diligenciar Valores 𝑉𝑚𝑖𝑛, 𝑉𝑚𝑎𝑥 etc.)

Después de analizar las figuras podemos evidenciar que las salidas de onda son bastante similares. V.II SUJETADORES O CAMBIADORES DE NIVEL Para los siguientes circuitos implemente y verifique matemática y experimentalmente la forma de onda de la señal de salida, teniendo en cuenta la polaridad correcta del condensador. La señal de trabajo será una señal senoidal con una frecuencia de 5500 Hz y una amplitud de 8 V

1) Sujetador de Voltaje

Fig12. Gráfica de entrada y salida del circuito 3 en el osciloscopio.

Para esta práctica utilizamos una fuente sinusoidal de 8V de amplitud y una frecuencia de 5.5kΩ, un condensador electrolítico de 100uF, un diodo 1N4004, una fuente de voltaje DC de 3.5V y una resistencia de 10kΩ.

10V

0V

-10V

Fig13. Circuito 4, Sujetador de voltaje.

-20V 0s

V(C1:1)

V(R6:2)

0.5ms

1.0ms

Time

Fig15. Gráfica de la simulación del circuito 4.

El color de la gráfica café, no es igual a la sonda rosada de la figura 13, debido a que el software cambio el color automáticamente con el fin de que se pueda apreciar mejor la señal. 1.3) Obtenga para cada circuito, las formas de onda halladas en el osciloscopio (fotografías) indicando claramente los parámetros de cada señal (periodo, voltajes máximos, mínimos, etc.)

Fig14. Montaje circuito 4

1.1) Incluya los análisis de cada circuito indicando la forma de onda de salida y justificando mediante ecuaciones. Estos valores serán anexados al final de este informe. 1.2) Incluya los análisis de cada circuito indicando la forma de onda de salida y justificando mediante ecuaciones. Fig16. Gráfica de entrada y salida del circuito 4 en el osciloscopio.

TABLA IV DATOS DE ENTRADA Y SALIDA DEL CIRCUITO SUJETADOR DE VOLTAJE CH1 CH2 Periodo

181.8u S

181.8u S

VMax

6.8V

600mV 10V

VMin

-6.8V

-12.8V

Vrms

4.77V

7.72V

Vdc

170mV

-6V

Frecuenci a

5.5kHz

5.5kHz

Después de analizar las figuras podemos evidenciar que las salidas de onda son bastante similares. 2) Sujetador de voltaje con fuente DC Para esta práctica utilizamos una fuente sinusoidal de 8V de amplitud y una frecuencia de 5.5kΩ, un condensador electrolítico de 100uF, un diodo 1N4004, una fuente de voltaje DC de 5.5V y una resistencia de 10kΩ.

0V

-10V 0s

V(C2:1)

V(D7:AN)

0.5ms

1.0ms

Time

Fig18. Gráfica de la simulación del circuito 5.

2.3) Obtenga para cada circuito, las formas de onda halladas en el osciloscopio (fotografías) indicando claramente los parámetros de cada señal (periodo, voltajes máximos, mínimos, etc.)

17Fig. Circuito 5, sujetador de voltaje con fuente DC.

Fig19. Gráfica de entrada y salida del circuito 5 en el osciloscopio.

2.1) Incluya los análisis de cada circuito indicando la forma de onda de salida y justificando mediante ecuaciones. Estos valores serán anexados al final de este informe (anexo ). 2.2) Incluya los análisis de cada circuito indicando la forma de onda de salida y justificando mediante ecuaciones.

TABLA V DATOS DE ENTRADA Y SALIDA DEL CIRCUITO SUJETADOR DE VOLTAJE CON FUENTE DC CH1 CH2 Periodo

181.8u S

181.8u S

VMax

6.8V

20mV

VMin

-6.8V

-13V

Vrms

4.77V

7.85V

Vdc

170mV

-6.31V

Frecuenci a

5.5kHz

5.5kHz

Después de analizar las figuras podemos evidenciar que las salidas de onda son bastante similares. V.III MULTIPLICADORES DE NIVEL

1.2) Incluya los análisis de cada circuito indicando la forma de onda de salida y justificando mediante ecuaciones. 50V

0V

-50V

V(D8:CAT)

10V

Implemente un circuito multiplicador de X voltaje mostrado en la figura 6, donde X es el último digito del código del último en la lista (si 𝑋 ≤ 2 trabajar con 𝑋 = 5, en caso de que 𝑋 > 8 trabajar con 𝑋 = 7). Para esta práctica utilizamos una fuente sinusoidal de amplitud 8V a una frecuencia de 60Hz, 7 condensadores electrolíticos de 10uF y 7 diodos 1N4004.

0V

SEL>> -10V 0s

V(C3:1)

0.5s

1.0s

1.5s

Time

Fig22. Gráfica de la simulación del circuito 6.

1.3) Obtenga para el circuito, las formas de onda halladas en el osciloscopio (fotografías) indicando claramente los voltajes de la señal de salida. Fig20. Circuito 6, Multiplicador de voltaje.

Fig23. Gráfica de entrada y salida del circuito 6 en el osciloscopio.

Fig21. Montaje circuito 6

1.1) Incluya los análisis de cada circuito indicando la forma de onda de salida y justificando mediante ecuaciones. Estos valores serán anexados al final de este informe (anexo 4,a y 4,b ).

Después de observar las figuras observamos que en la simulación después de un tiempo la onda se va estabilizando tomando un valor constante, mientras que en el osciloscopio nos muestra ya el valor constante. 1.4) Conecte diferentes resistencias de carga en los terminales de salida del multiplicador de voltaje y observe su salida (mínimo tres valores). ¿La

forma de onda cambio en comparación con el literal anterior? ¿Por qué?

10V

Para este punto usamos 4 resistencias de valores: 100Ω, 6.9kΩ, 4.7MΩ y 1.5kΩ.

0V

-10V

100 Ω

10V

V(D8:CAT)

0V

SEL>> -10V 0s

V(C3:1)

2.0ms

4.0ms

6.0ms

8.0ms

Time

Fig26. Gráfica de la simulación del circuito 7. Fig24. Circuito 7, Multiplicador de voltaje con resistencia de 100Ω.

6.9k Ω

Fig25. Montaje circuito 7

Fig27. Circuito 8, Multiplicador de voltaje con resistencia de 6.9kΩ.

Fig26. Gráfica de entrada y salida del circuito 7 en el osciloscopio.

40V

0V

SEL>> -40V 10V

V(D8:CAT)

0V

-10V 0s

Fig28. Montaje circuito 6

V(C3:1)

20ms

40ms

60ms

Time

Fig30. Gráfica de la simulación del circuito 8.

4.7M Ω

Fig31. Circuito 9, Multiplicador de voltaje con resistencia de 4.7MΩ.

Fig29. Gráfica de entrada y salida del circuito 8 en el osciloscopio.

Fig32. Montaje circuito 9.

Fig36. Montaje circuito 10

Fig33. Gráfica de entrada y salida del circuito 9 en el osciloscopio. 50V

0V

SEL>> -50V 10V

Fig37. Gráfica de entrada y salida del circuito 10 en el osciloscopio. V(D8:CAT) 40V

0V 0V

-10V 0s

V(C3:1)

20ms

40ms

60ms

Time

Fig34. Gráfica de la simulación del circuito 9.

1.5k Ω

-40V

V(D14:AN)

10V

0V

SEL>> -10V 0s

V(C3:1)

10ms

20ms

30ms

Time

Fig38. Gráfica de la simulación del circuito 10.

Fig35. Circuito 10, Multiplicador de voltaje con resistencia de 4.7MΩ.

Después de realizar las prácticas con distintas resistencias llegamos a la conclusión de que a medida que mayor sea el valor de la resistencia, mas estable será el voltaje resultante, ya que si comparamos las resistencias de 100Ω y 4.7M Ω se observa que la señal resultante de la resistencia de 100 Ω sale de manera sinusoidal (algo inestable). Por el contrario, la señal resultante de la resistencia de 4.7M Ω se estabiliza después de un tiempo y su valor continua constante.

Las gráficas anteriores difieren bastante de la señal de salida para el circuito multiplicador de voltaje presentado anteriormente, esto es debido a que el voltaje en un condensador se comporta de la siguiente manera: −1

Vc ( t )=Vo e RC

t

De modo que al estar los condensadores en paralelo con la resistencia se buscará que la constante de tiempo tao = RC, sea lo suficientemente grande para que los condensadores mantengan su voltaje, por ello en las gráficas se puede apreciar que, para valores pequeños en las resistencias, el voltaje de rizado no es similar al voltaje quintuplicado por el multiplicador de voltaje, mientras que para valores de resistencias grandes este voltaje si se mantiene. Las oscilaciones que se presentan en la señal de salida se denominan rizado y se generan debido a la carga del condensador y descarga del mismo a través de la resistencia.

Fig40. Circuito 11, recortador de voltaje para generar la señal de la figura 39.

V.IV DISEÑO Diseñe e implemente un circuito para la siguiente señal de salida

Fig41. Montaje circuito 11.

Después de realizar la simulación y la práctica obtuvimos la señal requerida. Estas señales se pueden observar en las figuras 10V

Fig39. Señal a obtener. 0V SEL>> -10V

1)

Describa como realizó el diseño y adjunte el diagrama esquemático. ¿Qué tipo de circuito es?

10V

(2.4806m,5.5221)

V(D15:AN)

0V

Para crear una señal como la que se muestra en la figura usamos un circuito recortador de voltaje. Este circuito se muestra en la figura. Para generar tal señal usamos una recistencia de 15Ω y una de 1kΩ, un diodo 1N4004, una fuente de voltaje en DC de 4.725V y una fuente senosoidal de 8V a una frecuencia de 500Hz.

-10V 0s

V(R8:1)

1.0ms

2.0ms Time

Fig42. Gráfica de la simulación del circuito 11.

3.0ms

Un circuito multiplicador de voltaje es un arreglo de capacitores y diodos rectificadores que se utiliza con frecuencia para generar altos voltajes de Corriente Directa [4]. La diferencia entre estos 2 es que a diferencia del multiplicador de voltaje el amplificador se usa más para formación de ondas mientras que el multiplicador se usa para generar voltajes en corriente directa. 3.

Fig43. Gráfica de entrada y salida del circuito 11 en el osciloscopio.

Después de suministrar los valores mostrados anteriormente se observa que tanto en la simulación como en la practica se muestra una señal de salida bastante similar a la requerida.

VII. TEMAS RELACIONADOS Incluya en el informe de laboratorio los siguientes aspectos: 1.

¿Qué efecto produce el condensador en un circuito con diodos?

Al añadir un condensador a la salida del diodo, amortiguamos la onda, debido a que el condensador se carga mientras la onda asciende, y se descarga lentamente cuando desciende [1]. El condensador se carga hasta un voltaje pico máximo, dependiendo de la dirección del diodo, la caída de potencial que este tenga, la amplitud máxima de la señal de entrada y si hay o no fuente DC presentes en el circuito; es decir si se polariza en directa o en inversa y a continuación desplazara la señal de entrada. El sentido del diodo y la polarización correcta del capacitor me dice hacia donde se desplaza la señal [2]. 2.

¿Qué diferencia existe entre un circuito amplificador y un multiplicador de voltaje?

Amplificador electrónico puede significar tanto un tipo de circuito electrónico o etapa de este cuya función es incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada; obteniéndose la señal aumentada a la salida. Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de una fuente de alimentación externa [3].

¿Qué inconvenientes se pueden presentar en el circuito multiplicador con diodos, si el voltaje requerido es muy alto?

Se debe tener precaución ya que el multiplicador de tensión se comporta como un condensador, si no hay una impedancia de carga pudiendo proporcionar transitorios de elevada corriente, lo que los hace peligrosos cuando son de alta tensión. Habitualmente se agrega una resistencia en serie con la salida para limitar este transitorio a valores seguros, tanto para el propio circuito como ante accidentes eventuales [2]. 4.

¿Qué sucede si en el circuito limitador con diodos, las fuentes DC varían?

Como sabemos, dependiendo de en que sentido se coloque el diodo se recortará o el semiciclo positivo o el negativo, pero estos circuitos limitadores solo harán su trabajo en un semiciclo. El trabajo de las fuentes DC es determinar cual será el valor pico en la señal de salida del semiciclo afectado. 5.

¿Qué sucede si en el circuito limitador con diodos, la fuente AC varía su amplitud y frecuencia?

Si variamos estos valores en el circuito será obvio que cambiarán las señales tanto de salida como, de entrada. Si la fuente de entrada aumenta el recorte en la señal de salida será mayor, por el contrario, si la señal de entrada disminuye, el recorte en la señal de salida será menor. También debemos tener presente que los diodos estén diseñados para estos tipos de práctica, y esto lo podemos observar en la hoja de datos de cada diodo. VII.





CONCLUSIONES

Es de vital importancia verificar la conexión de los componentes en la Protoboard, ya que en el caso de que un diodo o un capacitor este mal conectado este podría dañarse. También se aconseja tener componentes adicionales en el caso de que se dañe alguno en el transcurso de la práctica. En el laboratorio se necesitó una resistencia de 7 kΩ, pero esta resistencia no se encuentra comercialmente esta resistencia se remplazó por



una de 6.9kΩ, que es la más aproximada a la que nos correspondió. El uso de un software como Orcad es de gran utilidad, ya que nos ayuda a verificar los valores obtenidos en la práctica y también los del análisis teórico.

VIII.

REFERENCIAS

[1] “fuentes-de-alimentacion-conmutadas-03” Disponible en: https://fidestec.com/blog/fuentes-de-alimentacionconmutadas-03/ [2] “A. Malvino y D. Bates. Principios de Electrónica. Séptima Edición. España: Mc Graw Hill, 2007.” [3] “Amplificador_electrónico” Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_electr %C3%B3nico [4] “What-is-a-voltage-multiplier” Disponible en: https://www.spellmanhv.com/es/TechnicalResources/FAQs/Technology-Terminology/What-is-avoltage-multiplier