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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALOGICA PRÁCTICA 1: PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL DIODO RECTIFICADOR Adrián Ignacio Armijos García

RESUMEN

II. OBJETIVOS

Es importante conocer el funcionamiento de diodos, en específico del diodo rectificador ya que es al ser uno de los dispositivos electrónicos de mayor utilización y sobre todo básico para la electrónica, es también la base para entender el uso de otros dispositivos así por lo tanto se puede comprender el funcionamiento de otros dispositivos. En el presente documento se detalla un análisis de funcionamiento del diodo rectificador que comprende el armado de sus circuitos en polarización directa e inversa, la medición de sus valores y la comparación con los cálculos, y el análisis de su ecuación y curva característica. Términos para indexación — Circuito eléctrico, rectificador, polarización, hoja característica.

diodo

I.INTRODUCCIÓN El  diodo  rectificador 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 (IV) 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. El diodo 1N4148 el más común que se encuentra en el mercado servirá de análisis para entender qué sucede en estos elementos cuando se suministra una tensión, cabe recalcar que los datos medidos deberán parecerse a los simulados mediante el software.

Objetivo General 

Verificar el correcto funcionamiento del diodo rectificador y analizar su curva característica mediante la experimentación de laboratorio (circuito básico de rectificación).

Objetivos Específicos 

 



Utilizar el catálogo o datasheet para el diodo rectificador 1N4148 y obtener sus características técnicas. Realizar los cálculos matemáticos respectivos del circuito propuesto Simular en el software de su preferencia el circuito propuesto y realizar las mediciones de voltaje y corriente Comparar los datos medidos y calculados. III. SUSTENTO TEÓRICO

El diodo rectificador, está formado por material semiconductor, el cual es un material cuyas características se encuentran entre las de un buen conductor y las de un dieléctrico, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua . Por sus características, los semiconductores más frecuentemente utilizados en la construcción de dispositivos electrónicos son el silicio (Si), germanio (Ge) y arseniuro de galio (GaAs).

A. Material tipo n Representa el signo negativo de los semiconductores, es decir, este material inyecta electrones dado a que es un portador mayoritario de estos. B. Material tipo p Representa el signo positivo de los semiconductores, es decir este material quita electrones dado a es un portador minoritario de estos. C. Diodo semiconductor El diodo semiconductor, llamado también diodo rectificador, es un elemento formado por la unión de un material tipo n y un material tipo p, a los que comúnmente se les llama capas del diodo. FIG. 3 DIODO SIN POLARIZACIÓN FIG. 1 VISTA FÍSICA DE UN DIODO RECTIFICADOR

Este tipo de polarización no tiene utilidad para análisis, sin embargo, se considera importante dar a conocer. Polarización Inversa (VD < 0V)

FIG. 2 SIMBOLOGÍA DE UN DIODO RECTIFICADOR

Internamente y físicamente el diodo tiene dos terminales muy bien identificados, el uno es un terminal positivo que contiene el material tipo p y es llamado ánodo, mientras que el otro terminal es un terminal negativo que contiene el material tipo n y es llamado cátodo.

Esta polarización se da cuando se aplica un voltaje externo al diodo cuya terminal positiva está conectada al cátodo (material tipo n) y cuya terminal negativa está conectada al ánodo (material tipo p). La corriente en condiciones de polarización en inversa se llama corriente de saturación (I S). El término de saturación se refiere al hecho de que la corriente en el diodo (I D) alcanza su nivel máximo con rapidez y que no cambia con los incrementos en el potencial de polarización en inversa.

De acuerdo al material con el que haya sido fabricado, el diodo tendrá un voltaje propio: VD = 0.7 V (Diodo de Silicio) VD = 0.3 V (Diodo de Germanio) La aplicación de un voltaje a los terminales del diodo, de acuerdo a su signo y sentido, permite tres posibilidades de polarización: Sin polarización (VD = 0V) Se da cuando no se aplica voltaje al diodo, es decir el diodo estará conectado en circuito abierto, de donde podemos deducir que no habrá circulación de corriente a través del diodo (ID = 0A).

FIG. 4 POLARIZACIÓN INVERSA DE UN DIODO

La corriente de saturacion en inversa, rara vez es de algunos microamperios, excpeto en el caso de dispositivos de alta potencia. Actualmente se ha logrado medir que para diodos de silicio la corriente de saturación esta en el orden de los nanoamperios. Polariacion Directa (VD > 0V) Esta polarización se conoce como “encendido” y se da cuando al aplicar un voltaje externo al diodo se conecta el terminal de mayor potencial al ánodo (material tipo p) y el terninal de menor potencial se conecta al cátodo (material tipo n).

FIG. 5 POLARIZACIÓN DIRECTA DE UN DIODO

Si en esta polarización el diodo esta alimentado con corriente continua (CC), actuará como interruptor, es decir será un circuito cerrado cuando se polariza y un circuito abierto cuando no se polariza. En cambio, si alimentamos al diodo como con corriente alterna (CA), actuará como rectificador de voltaje. D. Ecuación característica del diodo Existe una ecuación llamada Ecuación de Shockley, que relaciona los parámetros del diodo y permite obtener su corriente:

Donde: ID: Corriente que circula a través del diodo (A) IS: Corriente de saturación (A) VD: Voltaje en el diodo (V) n: Factor de idealidad (1 o 2) VT: Voltaje térmico (V) K: Constante de Boltzman: 1.23*10 -23 J/K q: Magnitud de la carga del electrón: 1.6*10 -19 C T: Temperatura (K) Al realizar la gráfica de esta ecuación, llegamos a obtener una curva, la cual será la curva característica del diodo, esta grafica la obtuvimos de las diapositivas que se encuentran en la plataforma e-virtual.

FIG. 6 CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO

E. Región Zener Se refiere a un punto en donde la aplicación de un voltaje demasiado negativo producirá un cambio abrupto de las características, la corriente se incrementará muy rápido en una dirección opuesta a la de la región de voltaje positivo. El voltaje de polarización en inversa que produce este cambio se llama Potencial Zener y se simboliza como VZ.

FIG. 7 REGIÓN ZENER

Software NI Multisim 14 .Es un programa de simulación y captura de esquemas electrónicos que forma parte de un conjunto de programas de diseño de circuitos, junto con NI Ultiboard . Multisim es uno de los pocos programas de diseño de circuitos que emplea la simulación del software Berkeley SPICE original . Multisim fue creado originalmente por una compañía llamada Electronics Workbench , que ahora es una división de National Instruments . Multisim incluye simulación de microcontroladores (anteriormente conocida como MultiMCU), así como funciones integradas de importación y exportación al software de diseño de placa de circuito impreso en la suite, NI Ultiboard . Multisim es ampliamente utilizado en el mundo académico y la industria para la educación de circuitos, el diseño de esquemas electrónicos y la simulación SPICE.

Directa

B. Generar una tabla II de valores de voltaje vs. corriente y graficar la curva característica del diodo rectificador, variando la fuente de alimentación, ejemplo: 0V, 0.1V, 0.2V, 0.3V, 0.4V,........ hasta que se active el diodo (zona activa) En este punto vamos a tener 5 datos en los cuales vamos avariar una fuente de voltaje de corriente continua usando datos que van desde 0 V hasta 0.9V. En la tabla II se presentan los valores aproximados dados por cálculos o por la hoja característica del diodo. Mientras que en la tabla III se presenta los valores medidos usando el voltímetro y amperímetro. FIG. 8 INTERFAZ DE SOFTWARE NI MULTISIM 10

IV. DESARROLLO A. Completar los valores de la tabla I, de acuerdo a las especificaciones de la hoja característica del diodo semiconductor 1N4148

TABLA I

VT

0.02

ID

0-4.09 rango 300mA Si 0.2-0.8 V Silicio

IS

¿Es diodo zener? Si es diodo zener ¿cuál es su voltaje zener? ¿Cuál es el tipo de material de construcción del diodo?

FIG. 8 POLARIZACIÓN DIRECTA DE UN DIODO SEMICONDUCTOR

¿Cuál es la polarización del diodo rectificador (directa, inversa o región zener)?

TABLA II

AQUI SE MUESTRA CADA UNO DE LOS DATOS UTILIZADOS EN EL PROGRAMA CON DIFERENTES VALORES DE FUENTES Y LO DESARROLLAMOS DE MANERA EN QUE NOS PUEDA DAR UNA GRAFICA PARA TENER MEJOR FORMA DE OBSERVAR A CONTINUACION

TABLA 3

C. Realizar los cálculos matemáticos respectivos del circuito propuesto, utilizando la ecuación característica de un diodo rectificador, para compara con los valores medidos (temperatura de 26°).

) Para poder hacer uso de la ecuación, consideraremos temperatura ambiente (26°C), V D corresponderá a los valores obtenidos en c , mientras que I s será la media aritmética de los valores obtenidos. TABLA 4

Ahora comprenderemos mejor nuestra tabal con un grafico utilizado por la aplicación Matlab FIG. 9 GRAFICA DE LOS VALORES PARA LA POLARIZACIÓN DIRECTA DE UN DIODO

FIG. 10 POLARIZACIÓN INVERSA DE UN DIODO

FIG. 10 POLARIZACIÓN INVERSA DE UN DIODO

D. Analizar los resultados obtenidos en los puntos de los valores medidos y calculados En este caso se debe realizar el armado del circuito de la figura 2 en el software Multisim ya que lamentablemente por motivos de fuerza mayor no se puede realizar la practica en le laboratorio ante esto se debe ajustar el voltaje de la fuente al valor del Voltaje Zener del diodo 1N4148 indicado en su hoja de especificaciones y hacer 5 incrementos variados desde 0 a partir de dicho voltaje. Los datos adjuntados en cada uno de las tablas muestran tanto para los calculados como para los simulados asi se mostrar en las siguientes figuras para cada uno de la variación de voltaje en corriente continua.

FIG. 14 TERCER INCREMENTO VZ = 0.3 V

Simular el circuito propuesto, pero en la región Zener y medir la corriente cuando llegue al voltaje Zener

FIG. 15 CUARTO INCREMENTO VZ = 0.9V

V.CONCLUSIONES

FIG. 11 VZO = 0 V

Mediante la realización del presente informe se ha podido reforzar los conocimientos adquiridos de manera teórica y nos hemos podido dar cuenta que, si bien los cálculos nos pueden aproximar, pero es de suma importancia realizar la práctica para poder verificar estos datos así podremos asumir otros datos como por ejemplo temperatura ambiente, diodos ideales, conductor sin impedancia, etc. Las cuales son características que no podemos saber si es que la práctica no se realiza Con la tabla de valores nos podemos dar cuenta que en los valores bajos de VS tenemos variaciones de I D que parecen muy grandes, y efectivamente son variaciones grandes, pero en el orden de los uA y mA, y si nos damos cuenta cuando llevamos estos valores a la unidad base, son variaciones bastante pequeñas.

FIG. 12 PRIMER INCREMENTO VZ = 0.1V

Mas que conclusión se puede decir que los valores y datos siempre van a estar sujetos a revisión ya que siempre puede variar, es también importante revisar y comprender bien los DATASHEET para cada dispositivo electrónico. VI. BIBLIOGRAFÍA [1] [2] [3]

FIG. 13 SEGUNDO INCREMENTO VZ = 0.2 V

R.L. Boylestad. Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. 10ma. Ed. México: PEARSON EDUCATION, 2009 Boylestad, R. L. (2011). Introducción al análisis de circuitos. Décima segunda edición, Pearson Educación, Mexico - 114616 – 114617 Albert Malvino & Bates David. (2007). Principios de electrónica. Séptima edición, Mc Graw Hill, España - 106726