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• Yeimmy Londoño Gaitan

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DIODOS

DIODOS

EQUIPO NECESARIO 

Fuente de voltaje DC variable



Transformador o fuente de VAC variable



4 diodos 1N4007



1 Resistencia de 1K



1 Resistencia de 330 



2 Multímetros digitales

PROPÓSITO DEL EXPERIMENTO 

Introducir el tema de materiales semiconductores



Observar la curva característica de un tipo específico de diodo



Medir algunos parámetros operacionales de un diodo 1. MARCO TEÓRICO

1.1 Clasificación de las sustancias por la magnitud de la Conductancia

Por sus cualidades electrofísicas todas las sustancias de la naturaleza pueden ser divididas en tres grandes grupos: conductores, semiconductores y dieléctricos. La más simple es la clasificación de las sustancias por su resistividad. En los conductores esta magnitud oscila entre 10-6 y 10-4 ohmios.cm (por ejemplo, la resistividad de la plata a temperatura ambiente es de 1,58x10-6 ohmios.cm). El grupo de sustancias de resistividad comprendida entre 10-4 y 1010 ohmios.cm pertenecen a los semiconductores (por ejemplo, la resistividad del germanio va desde 5x10-4 hasta 47 ohmios.cm). Por último, las sustancias de resistividad mayor que 1010 ohmios.cm corresponden al grupo de los dieléctricos (por ejemplo, a 200°C la resistividad de la mica, según su composición es de 1013 – 1016 ohmios.cm).

De los datos expuestos se aprecia que, al pasar de una clase de sustancias a otra no existe una variación brusca del valor de la resistividad. Para los semiconductores y los dieléctricos, en principio, esto refleja su afinidad cualitativa. Por su naturaleza los conductores se diferencian más de los semiconductores. 1.2 Mecanismos de Conducción de las Sustancias

Entre los metales y otros cuerpos sólidos, como por ejemplo, los semiconductores y dieléctricos existe una diferencia importante: en los metales, el “pegamento” de los electrones de valencia es, en cierto modo, fluido, Físico Yeimmy Londoño Gaitán – @yelogamail - https://www.youtube.com/channel/UCbpf2YwBPuzB26Gn4lHHJLw

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es decir, que los diversos electrones de valencia pueden desplazarse libremente en la estructura, por consiguiente, están en condiciones de establecer una corriente eléctrica al aplicar una diferencia de potencial.

A diferencia de lo que ocurre en los conductores, en los semiconductores y dieléctricos, los electrones de valencia no pueden moverse libremente, estos están normalmente ligados. En un tipo especialmente importante de estructura cristalina –el cristal de valencia -, un par de electrones de valencia origina siempre una unión de dos átomos adyacentes (enlace doble), uno de estos dos electrones procede de uno de los dos átomos y el otro del otro átomo. El número de enlaces entre cada átomo y sus vecinos inmediatos es igual al número de electrones de valencia que dicho átomo tenía en un principio.

Los semiconductores silicio y germanio, que actualmente tienen especial importancia, son cristales de valencia. Cada átomo tiene cuatro electrones de valencia y por tanto, cuatro enlaces en la estructura cristalina.

Los electrones de valencia de un semiconductor, que están ligados, normalmente no sirven para conducir una corriente eléctrica. Sin embargo, por influencias externas es posible liberar un electrón de valencia ligado. Para ello es preciso desprender el electrón ligado de su enlace mediante un fuerte impulso. Esto se puede conseguir, por ejemplo, mediante un cuanto de luz de energía suficiente o mediante la interacción con otra partícula con un elevado nivel de energía, aunque en la práctica se usan semiconductores en los cuales los electrones ligados se desprenden por medio de energía térmica.

1.3 Junturas N - P

El concepto de juntura se puede usar solamente para los materiales semiconductores. Ya se ha dicho que en un cristal semiconductor tal como el silicio o el germanio, los electrones de conducción son arrancados (desligados) de la estructura cristalina con la ayuda de alguna perturbación externa (por ejemplo, energía térmica).

Cuando a un cristal semiconductor se le arranca un número N1 de electrones para convertirlos en electrones de conducción, en el cristal se forman N2 sitios con falta de electrones o “huecos”, de aquí que puedan ocurrir las siguientes situaciones. 

N2 = N1



N2  N1 Exceso de electrones de conducción (cargas negativas) o semiconductor tipo N



N2  N1 Exceso de huecos (se consideran cargas positivas) o semiconductor tipo P

o semiconductor intrínseco

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Cuando se acercan (juntan) cristales semiconductores para formar una especie de emparedado, se forman lo que se llaman junturas, el tipo de juntura depende de qué tipo de cristales se junten y cuántas capas de “emparedado” se coloquen. Por ejemplo, un diodo convencional se forma juntando un semiconductor del tipo N con uno del tipo P, así que un diodo es una juntura del tipo N-P. 1.4 El Diodo

El símbolo que representa un diodo en un circuito es:

Figura 1. Representación esquemática del diodo

El análisis teórico de la junta P-N muestra que el comportamiento eléctrico del diodo está dado por la expresión: I = I0(eV / VT – 1)

(1)

Conocida como la ecuación del diodo rectificador. En esta expresión I es la corriente a través del dispositivo, I0 la corriente inversa de saturación, V el voltaje aplicado y VT el valor efectivo del potencial térmico electrónico, una gráfica de esta ecuación se presenta en la Figura 2 . Obsérvese la fuerte dependencia de la corriente con el voltaje para valores positivos de la polarización en un intervalo de solo 0.4V.

Figura 2. Característica I vs V del diodo (Teórico)

La corriente a través del dispositivo aumenta 6000 veces, para valores negativos del voltaje de polarización, la corriente es tan pequeña que su valor no alcanza a precisarse en la práctica, es fácil ver de esta gráfica que el diodo no conduce cuando está polarizado inversamente, esto es, cuando el ánodo es negativo respecto al cátodo, se dice también que el diodo está cerrado. Si la polarización es directa (ánodo positivo respecto al cátodo) la caída Físico Yeimmy Londoño Gaitán – @yelogamail - https://www.youtube.com/channel/UCbpf2YwBPuzB26Gn4lHHJLw

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de potencial en el dispositivo es pequeña y prácticamente constante como lo indica su gran pendiente, se dice entonces que el diodo está abierto dado su baja resistencia en el estado de conducción. Obsérvese además que el cambio del estado de conducción al de no - conducción es abrupto y ocurre a un valor determinado del voltaje aplicado conocido como de operación o de compuerta Vop. Estos elementos de análisis, permiten proponer el modelo operacional del diodo ilustrado en la Figura 3, que se usara para interpretar las mediciones.

Figura 3. Curva experimental para un diodo común.

Existen tres tipos de diodos, los cuales se usan para diferentes aplicaciones. Los tipos de diodos existentes en el comercio son: 

Diodo rectificador de silicio o diodo común.



Diodo Zener



Diodo emisor de luz o LED (light emitting diode)

Aunque estos tipos de diodo son diferentes entre sí, su comportamiento es muy similar. La teoría descrita en este laboratorio corresponde a la de un diodo rectificador de silicio.

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2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

2.1 Observación de algunas características de operación de un diodo Semiconductor

1

Conecte el circuito mostrado en la Figura 4, usando el diodo 1N4007 (diodo común) y una resistencia de 1K. Monte el circuito de la Figura 5 (equivalente a la Figura 4). Note que el diodo está orientado con la banda oscura cerca al punto B.

Figura 4. Montaje experimental del diodo

2

Con el switch cerrado y la corriente fluyendo, ajuste el potenciómetro para que el voltaje entre los puntos B y C (VBC) sea alrededor de 0.05V. mida el voltaje a través del diodo (VAB). Registre sus datos en la Tabla 1.

3

Ajuste el potenciómetro para obtener los siguientes valores de voltaje para VBC: 0.1, 0.2, 0.3, ..., 2.0V. registre los dos voltajes para cada caso.

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Figura 5. Esquema del montaje del diodo

4

Cambie la resistencia de 1K y reemplácela con una de 330K. Repita los pasos 3 y 4, pero ahora con incrementos de 0.3, 0.4, 0.5, … 2.0V. registre VBC y VAB en cada caso.

5

Invierta la posición del diodo. Ajuste los voltajes a través del diodo (VAB) desde 0.5, 1.0, ..., 3.0V. mida el valor del voltaje en la resistencia (VBC) en cada caso. Registre estos datos en la Tabla 1 en las columnas polarización inversa.

POLARIZACIÓN DIRECTA R ()

VAB (V)

VBC (V)

POLARIZACIÓN INVERSA I (mA)

R ()

VAB (V)

VBC (V)

I (mA)

Tabla 1

6

Preguntas:

a. Determine el flujo de corriente I en cada uno de los montajes dividiendo el voltaje a través de la resistencia (VAB) por la resistencia. Tenga en cuenta cambiar el divisor al momento de cambiar la resistencia. b. Construya una gráfica de corriente (eje vertical) vs voltaje a través del diodo. c. Operó el diodo en los pasos 3 y 4 tal como en el paso 5? d. En los pasos 3 y 4 el diodo fue polarizado en directa mientras en al paso 5 a la inversa, basado en sus datos, qué significa esto? e. Describa algunas aplicaciones de los diodos. Físico Yeimmy Londoño Gaitán – @yelogamail - https://www.youtube.com/channel/UCbpf2YwBPuzB26Gn4lHHJLw

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2.1 Puentes de Diodos como Rectificadores de Onda Completa Disponiendo adecuadamente de los recursos que ofrecen los transformadores y los diodos podemos lograr que el aporte de energía se realice dos veces por ciclo, es decir, con cada uno de los medios ciclos, en tal caso el rectificador se denomina de onda completa.

1. Realice el montaje mostrado en la Figura 6 usando los 4 diodos para formar un puente.

a

c d

b

Figura 6. Montaje para rectificar una onda completa

2. Utilice como fuente de alimentación un transformador o una fuente de VAC, conecte a los puntos a y b. El multímetro debe encontrarse en la escala AC. 3. Mida la diferencia de potencial entre los c y d, a medida que varía el voltaje de alimentación Vab. El multímetro debe encontrarse en la escala DC. Consigne sus resultados en la Tabla 2.

Vab (V AC)

Vcd (V DC)

Tabla 2

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4. Haga un gráfico cualitativo del Voltaje en función del tiempo para un ciclo completo del voltaje de alimentación Vab, recuerde que la frecuencia corresponde a 60Hz, y la amplitud uno solo de los valores medidos Vab. 5. Teniendo en cuenta el sentido de la corriente con base en el punto anterior, haga el seguimiento de ésta a través del puente, considerando las cualidades de compuerta del diodo. 6. Tomando como referencia el punto 5, haga un gráfico cualitativo del voltaje en función del tiempo para uno solo de los valores de Vcd . 7. Qué importancia práctica tiene entonces el estudio de los puentes rectificadores? 8. Cómo es el valor Vcd comparado con su respectivo Vab? Mayor, menor o igual? 9. Cómo justifica la respuesta dada para el punto 8? 10. Encuentre una relación entre Vab y Vbc 11. Sabiendo que los equipos electrónicos de gran complejidad como los computadores funcionan en gran parte gracias a las características físicas de los diodos rectificadores, investigue como se minimizan los errores en los resultados que arrojan estos equipos. Será que los diodos son dispositivos 100% precisos?.

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