Pr´actica 2. Diodos: Caracter´ısticas y Aplicaciones. L.Garz´on, L.Perdomo, J.Romero, Febrero 28 de 2018 1 Pr´actica 2
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Pr´actica 2. Diodos: Caracter´ısticas y Aplicaciones. L.Garz´on, L.Perdomo, J.Romero, Febrero 28 de 2018
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Pr´actica 2. Diodos: Caracter´ısticas y Aplicaciones Laura Valentina Garz´on G¨uiza, Laura Camila Perdomo Garavito, Juan Felipe Romero Sanabria [email protected] [email protected] [email protected] Electr´onica An´aloga I Departamento de Ingenier´ıa Mec´anica y Mecatr´onica Grupo de Laboratorio 3, Grupo de Trabajo 2 Marzo 7 de 2018 Universidad Nacional de Colombia. Bogot´a. Colombia.
Resumen—En este documento se presenta la descripci´on del procedimiento realizado para la segunda pr´actica de Laboratorio de Electr´onica An´aloga I, adem´as de los resultados obtenidos y sus respectivos an´alisis e interpretaciones. Esta pr´actica ten´ıa como objetivo realizzar las mediciones necesarias para caracterizar el comportamiento de un diodo, adicionalmente se realiz´o el analisis de algunas de sus aplicaiones. Palabras claves—Diodo, LED, fotodiodo, semiconductor, temperatura, tiempo de recuperaci´on.
´ I. I NTRODUCCI ON
E
l diodo es el elemento mas sencillo de los dispositivos semiconductores pero desempe˜na un papel fundamental en los sistemas electr´onicos. Por este motivo es de gran importancia conocer su fucionamiento, es decir la relacion entre tensi´on y corriente en este elemento y de esta forma implementarlo en circuitos con diferentes prop´ositos. En esta pr´actica se busca caracterizar el funcionamiento de los diodos y mostrar algunas de sus aplicaciones, como lo son los LEDs y fotodiodos. Para esto se presentan algunos conceptos de gran relevancia para realizar dichos an´alisis.
´ II. MARCO TE ORICO A. Diodo El elemento no lineal mas sencillo y fundamental es el diodo. Al igual que el resistor el diodo tiene dos terminales; pero, a diferencia de aqu´el, el diodo tiene una curva caracter´ıstica i-v no lineal.[1]
Fig. 1: El diodo ideal: (a) simbolo del diodo; (b) curva caracter´ıstica i-v (c) circuito equivalente en la direcci´on inversa; (d) circuito equivalente en la direcci´on directa
En la curva caracter´ıstica i-v del diodo ideal se muestra en la figura 1(b) se puede observar que si un voltaje negativo se aplica a ldiodo, no circula corriente y el diodo se comporta como un circuito abierto (figura 1(c)). Cuando un diodo opera de este modo se dice que esta inversamente polarizado. Por otro lado, si una corriente positiva se aplica al diodo ideal, en sus terminales aparece una ca´ıa de tensi´on igual a cero. Es decir, el diodo ideal se comporta como un corto circuito y se dice que est´a Directamente polarizado.[1]
C. Diodo modelo exponencial B. El diodo ideal Eldiodo ideal puede ser considerado como el elemento fundamental de cicuitos no lineales cuyo simbolo se muestra en la figura 1(a).
Los diodos semiconductores de uni´on hechos de silicio presentan una curva caracterist´ıca i-v como la que se muestra en la figura 2.
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corriente) funciona idealmente como un circuito abierto, en el caso conocido como polarizaci´on inversa (cuando la corriente no puede pasar a trav´es del elemento) Si tenemos que dar una definici´on concreta, un LED es un Diodo emisor de luz, lo que en ingles se conoce como Light Emitting Diode.
Fig. 2: Curva caracter´ıstica i-v de un diodo semiconductor. Como se indica, la curve caracter´ıstica consta de tres regiones distintas: 1. Regi´on polarizada directamente. 2. Regi´on polarizada inversamente. 3 Regi´on de ruptura. Regi´on polarizada directamente: Esta regi´on puede ser aproximada de un modo muy cercano con la ecuaci´on 1. v
i = Is (e nVT − 1)
(1)
En esta ecuaci´on, Is es una constante para un diodo dado a una temperatura dada. El voltaje t´ermico (VT ) en la ecuaci´on 1 es una constante dada porla ecuaci´on 2 VT =
kT q
(2)
Donde: k = constante de Boltzmann = 1,38x10−23 joules/kelvin. T = temperatura absoluta en kelvin. q = magnitud de carga electr´onica = 1,60x10−19 . A la temperatura ambiente, el valor de VT es aproximadamente 25,2 mV. En la ecuaci´on 1, la constante n tiene un valor entre 1 y 2, dependiendo del material y la estructura del diodo.[1] Regi´on de polarizac´on inversa Esta regi´on se presenta cuando el voltaje (v) del diodo se hace negativo. En la ecuaci´on 1 se predice que si v es negativo y unas pocas veces mayor que VT en magnitud, el termino exponencial se hace tan peque˜no que es despreciable, y la corriente del diodo se convierte en: i ≈ −Is
(3)
Donde Is es la corriente de saturaci´on.[1] D. LED un diodo led es un dispositivo electr´onico capaz de permitir el paso de la corriente en un u´ nico sentido, mientras en sentido opuesto sera imposible su circulaci´on, esto se conoce como polarizaci´on directa (cuando un diodo permite el paso de la
Cuando existe una diferencia de potencial entre los terminales, los electrones del terminal mas positivo se mover´an hacia el terminal mas negativo, cuando hablamos de electrones nos referimos a los electrones libres de los a´ tomos, muchos electrones al recombinarse con los huecos que dejaron otros electrones libres, liberan energ´ıa excedente en forma de luz (fotones de luz), el color con el que se iluminara el LED se determina a partir de la banda de energ´ıa del semiconductor, es proporcional a la energ´ıa del propio foton.[3]
E. Fotodiodo El fotodiodo tiene b´asicamente la misma construcci´on que un diodo rectificador (esta construido por una union PN), sin embrago este tiene una caracter´ıstica que lo hace especial: es un dispositivo sensible a la luz visible e incluso a la infrarroja. En pocas palabras resulta ser un diodo con sensibilidad a la luz. Al ser un diodo es muy importante tener en cuenta su polarizaci´on ya que en este tipo la corriente el´ectrica fluye en sentido inverso, por lo que debemos polarizarlo de manera inversa. La mayor´ıa vienen equipados con un lente que concentra la cantidad de luz que lo incide, por lo tanto su reacci´on a la iluminaci´on es m´as evidente. Al circular la corriente de manera inversa provoca un aumento de corriente dependiendo de los intensidad de luz que detecte.[4]
F. Tensi´on de polarizaci´on umbral directa La tensi´on umbral es el valor de tensi´on en polarizaci´on directa a partir del cual un diodo conduce. Este valor se puede obtener a partir de la caracter´ıstica I-V determinando el valor de la tensi´on que corresponde a una intensidad de aproximadamente un miliamperio. Toda uni´on PN deja pasar la corriente s´olo si est´a en polarizaci´on directa y la tensi´on supera un valor umbral que llamaremos Vγ . Para los diodos de silico y germanio, aproxim´adamente es Vγ = 0.7 voltios y Vγ = 0.2 voltios, respect´ıvamente. En la figura ?? se observa la ubicaci´on de Vγ en la curva caracter´ıstica del diodo. [2]
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R=
24, 3V = 486Ω 0, 05A
(4)
Para usar esta resistencia al no ser una resistencia de uso comercial se estableci´o a partir de un potenci´ometro. Por otro lado, dado los valores de tensi´on que caen en la resistencia y de corriente que pasan por ella se determin´o la potencia que dicha resistencia estaba disipando, por lo que el potenci´ometro deb´ıa soportar m´as de 1 Watt. PR = (24, 3V ) · (0, 05A) = 1.215W
Fig. 3: Curva caracteristica del diodo G. Resistencia din´amica del diodo La derivada de la tensi´on con respecto a la corriente en el punto de operaci´on se la identifica como la resistencia din´amica del diodo RD , y su expresi´on puede determinarse a partir del modelo exponencial del diodo, teniendo en cuenta que si el diodo est´a en la zona de conducci´on v es lo suficientemente mayor que VT [1] H. Punto de trabajo Q Es el nivel m´ınimo de tensi´on con al que se enciende (o conduce) un diodo. Otra manera de decirlo, es el valor de consumo o de ca´ıda de tensi´on que presentar´a un diodo para poder encender o conducir. Generalmente se le dice tensi´on o voltaje de encendido, en ingl´es se le llama ”forward voltage”. [3] ´ III. P ROCEDIMIENTO , RESULTADOS Y AN ALISIS
(5)
Despu´es de tener esto en cuenta, variando lentamente el voltaje desde una medida de corriente en el diodo de aproximadamente 5mA y haciendo incrementos proporcionales a este valor se obtuvieron las parejas de valores (Vd,Id) hasta llegar a I = Imax=50mA. Terminado esto,se repiti´o todo el proceso , pero en este caso acercando el caut´ın al diodo a una temperatura aproximada de 52◦ C •
Resultados: Diodo 1N4004 a Temperatura Ambiente Obtenidos los datos de voltaje en el diodo y corriente en el mismo se realiz´o la siguiente grafica . TABLA I: Caracterizaci´on Diodo-Temperatura ambiente V s [V ] 3,1 5,6 8,2 10,7 13,2 15,7 18,4 20,6 21,8 25,4
V d [V ] 0,66 0,692 0,711 0,723 0,733 0,741 0,747 0,752 0,757 0,761
I d [A] 0,00502 0,00998 0,01503 0,02003 0,02505 0,03002 0,03495 0,04 0,04506 0,05001
A. Procedimiento N ◦ 1
Fig. 4: Circuito-Caracterizaci´on Diodo Fig. 5: Caracterizaci´on Diodo Temperatura Ambiente 1) Caracterizaci´on Diodo 1N4004: Para el circuito de la figura 8, en primer lugar se determin´o el valor de la resistencia para el cual se obtuviera una corriente m´axima de 50 mA cuando la fuente de voltaje alcanzara su m´aximo valor de 25 V. Para esto se us´o la aproximaci´on a fuente de voltaje para diodos de silicio La tensi´on que cae en el diodo ser´a de 0.7 V.// V R = 25 − 0, 7 = 24, 3V
Ya con esta gr´afica, usando el voltaje m´aximo (25,4 V) y la resistencia calculada se grafic´o la l´ınea de carga. La ecuaci´on que define la l´ınea de carga es dada por: I= Id =
Vs−V R
25, 4 Vd − 486 486
(6)
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Donde: Vs= tensi´on de la fuente; V= tensi´on en el diodo; R= Resistencia del circuito. Para graficarla se tuvieron en cuenta dos puntos, los punto de Saturaci´on: caracterizado por tensi´on m´ınima y corriente m´axima en el diodo, en el cual se V=0 por tanto: Vs 25, 4 V I= = = 0, 0522A (7) R 486Ω Y el punto de Corte: caracterizado por corriente m´ınima y tensi´on m´axima. calculado igualando I a 0 0 = V s − V ; V = V s = 25, 4
V
(8)
En cuanto a la funci´on de la curva de caracterizaci´on del diodo, por medio de la regresi´on exponencial y las siguientes ecuaciones: y = AeB·x ln y = ln A + ln eBx ln y = ln A + BX z}|{ z}|{ y• = A• +BX P P P n ( xy•) − x · y• B= P P 2 n x2 − ( x) ¯ + Bx A• = y•
(9)
y = (1 × 10−9 )e22,777x Id = (1 × 10
)e
22,777V d
Esta aproximaci´on ser´a tanto m´as cierta cuanto menores sean las variaciones. La derivada de la tensi´on con respecto a la corriente en el punto de operaci´on se la identifica como la resistencia din´amica del diodo rd , y su expresi´on puede determinarse a partir del modelo exponencial del diodo, teniendo en cuenta que si el diodo est´a en la zona de conducci´on, Vd en Q es lo suficientemente mayor que rd y puede despreciarse la unidad frente al t´ermino exponencial: vd vd δvd VT ≈ id = I o e vt − 1 ≈ I o e vt ⇒ rd = δid I dQ (13) En este caso al tratarse de temperatura ambiente se puede reducir la ecuaci´onIII-A1, se reduce a: 25mV 25mV = = 0, 50Ω I dQ 50, 66mA
(14)
Para obtener el valor de la tensi´on umbral, se tuvo en cuenta que este es el valor de tensi´on en polarizaci´on directa a partir del cual un diodo conduce y que este se puede obtener a partir de la caracter´ıstica I-V determinando el valor de la tensi´on que corresponde a una intensidad de aproximadamente un miliamperio. 0.001A = 1 · 10−9 e22,777V d
(10)
Finalmente se igualaron las ecuaciones 6y 10 para as´ı obtener el punto de trabajo Q Vd 25, 4 − = (1 × 10−9 )e22,777vd 486 486 V d = 0, 779 V 25, 4 0, 779 − 486 486 Id = 0.05066A = 50, 66mA
En cuanto a la resistencia din´amica,teniendo en cuenta esta aproximaci´on, la relaci´on entre los incrementos de tensi´on y de corriente pueden relacionarse por: dV d (12) ∆V d = Q ∆Id did
rd =
Se obtuvo la siguiente ecuaci´on: −9
4
V d = 0, 606V
A fin de calcular Is y η se realizo un gr´afico en escala semi-logar´ıtmica ubicando la corriente en el eje logar´ıtmico y la tensi´on en el eje decimal. A partir del resultado se traz´o una curva con comportamiento lineal, y se obtuvieron los par´ametros de la ecuaci´on : y = K · x + yo
Id =
(15)
(16)
(11)
Fig. 7: Caracterizaci´on Diodo,representaci´on semilogaritmica Fig. 6: Caracterizaci´on Diodo Temperatura Ambiente-Linea de carga
Para obtener la ecuaci´on de la curva se tomaron dos puntos, sobre la l´ınea de tendencia de la misma y a su
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valor en y se le calculo el logaritmo en base 10, de este modo se calcul´o la pendiente K y el corte con el eje Y0. TABLA II: Datos ecuaci´on representaci´on semilogaritmicaTemperatura Ambiente V d [V ] 0,747 0,752
I d [A] 0,03496 0,04012
log10 Id -1,463 -1,395
Fig. 8: Caracterizaci´on Diodo Temperatura-52◦ C K=
−1, 395 + 1, 463 0, 752 − 0, 747 K = 13, 6
Usando el voltaje m´aximo (25 V) y la resistencia calculada se grafic´o la l´ınea de carga. La ecuaci´on que define la l´ınea de carga es dada por:
y + (1, 463) = K(x − 0, 747) y = 13, 6x − 11, 622
I=
log10 Id = 13, 6x − 11, 622 ln Id = 31, 315x − 26, 76 Vd
Id =
Id = e ηV t Is Id = e
31,315x
e
−26,76
Vd 25 − 486 486
(18)
Donde: VS= tensi´on de la fuente; V= tensi´on en el diodo; R= Resistencia del circuito.
Vd ηV t
Is V d · 40 31, 315V d = η V d · 40 η= 31, 315V d η = 1, 27 Id = e
Vs−V R
De igual forma que en la l´ınea de carga del diodo a temperatura ambiente,Para graficarla linea de carga se tuvieron el punto de Saturaci´on: I=
Por tanto; los resultados son:
25V Vs = = 0, 0514A R 486Ω
(19)
Y el punto de Corte. η = 1, 27 0 = V s − V ; V = V s = 25 V
Is =
e
−26,76
= 2, 38 × 10
−12
(17)
Diodo 1N4004 a 52◦ C Obtenidos los datos de voltaje en el diodo y corriente en el mismo se realiz´o la siguiente grafica . TABLA III: Caracterizaci´on Diodo-Temperatura 52◦ C V s [V ] 2,9 5,7 8,3 10,3 13,1 15,5 18,1 20,6 21,5 25
V d [V ] 0,628 0,664 0,686 0,697 0,705 0,71 0,716 0,72 0,725 0,729
I d [A] 0,00504 0,00802 0,01495 0,02005 0,02503 0,02999 0,03495 0,04002 0,04503 0,05
(20)
y para obtener una aproximaci´on del comportamiento del diodo, de igual forma se us´o el m´etodo de regresi´on exponencial9,obteniendo la siguiente ecuaci´on: y = (1 × 10−9 )e23,965x Id = (1 × 10−9 )e23,965V d
(21)
Igualando las ecuaciones ??y 21 para as´ı obtener el punto de trabajo Q Vd 25 − = (1 × 10−9 )e23.965vd 486 486 V d = 0, 739 V
Id =
25, 4 0, 739 − 486 486
Id = 0.0499A = 49.9mA
(22)
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Fig. 9: Caracterizaci´on Diodo Temperatura 52◦ C-Linea de carga Por parte del c´alculo para la resistencia din´amica, a partir de la ecuaci´on III-A1 y la temperatura del diodo , se obtuvo:
Fig. 10: Caracterizaci´on Diodo,representaci´on semilogaritmica a 52◦ C
TABLA IV: Datos ecuaci´on representaci´on semilogaritmicaTemperatura 52◦ C V d [V ] 0,72 0,725
VT I dQ k = T (K) Q
rd ≈ VT
6
I d [A] 0,04002 0,04503
K=
Donde: k= Constante de Boltzmann q= Carga de un proton; T(K)= la temperatura en kelvin.
log10 Id -1,3977 -1,3465
−1, 3465 + 1, 3977 0, 725 − 0, 72 K = 10, 24
y + (1, 3977) = K(x − 0, 720) y = 10, 24x − 8, 77 log10 Id = 10, 24x − 8, 77
1, 3806 × 10−23 (325.15) 1, 6 × 10−19 V T = 0, 0280 = 28mV
ln Id = 23.553 − 20, 171
VT =
Vd
Id = e ηV t Is Id = e23,553x
e−20,171
Vd
rd =
28mV = 0, 56Ω 49, 9mA
Id = e ηV t Is Vd 23, 553V d = ηVT Vd η= 23, 553V d · VT 1 η= 23, 553 · 0, 028 η = 1, 51
(23)
Adem´as, se calcul´o la tensi´on umbral de igual forma determinando el valor de la tensi´on que corresponde a una intensidad de aproximadamente un miliamperio. 0.001A = 1 · 10−9 e23,965V d
Por tanto; los resultados son: V d = 0, 576V
η = 1, 51
(24)
En cuanto a los valores de Is y η, como en el diodo a temperatura ambiente se realiz´o un gr´afico en escala semilogar´ıtmica ubicando la corriente en el eje logar´ıtmico y la tensi´on en el eje decimal, obteniendo una recta y calculando su ecuaci´on16.
Is =
e−20,171 = 1, 737 × 10−9
(25)
Finalmente, en el siguiente grafico se observan las dos caracterizaciones.
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variar de acuerdo a los niveles de voltaje y corriente, y depende del arrastre, difusi´on y la recombinaci´on de portadores, normalmente, esta deber´ıa presentar valores entre 1 y 2 lo que en ambos casos cumple. Los valores esperados serian, η=1, el valor de VT=26mV y Si η=2, el valor de nVT=52mV , en este caso los valores obtenidos son pr´oximos pero no tan exactos a los esperados en condiciones ideales (η=1,27 VT=25mV yeta=1,51 VT=28mV) esto se debe a que a la hora de obtener la ecuaci´on de la curva se realiz´o a partir de dos puntos cercanos a la recta de aproximaci´on, adem´as de todos los posibles errores en la medici´on como en las incertidumbres de los elementos utilizados y de las ya mencionadas variables que depend´ıa , aumentando los valores esperados. Cabe destacar que se mantuvo la relaci´on dada por que a mayor VT el valor de la constante emp´ırica deb´ıa ser mayor.
Fig. 11: Caracterizaci´on del Diodo-2 Temperaturas •
An´alisis: En primer lugar, como se observa en los datos obtenidos en la tabla 8 el diodo presenta una ca´ıda de tensi´on que va en este caso desde los 0,66V a los 0,761 voltios, dato congruente con lo esperado por un diodo de silicio , el cual deber´ıa estar entre 0,5V a los 0,8V . Acorde a la curva de caracterizaci´on obtenida para el Diodo 1N4004 a temperatura ambiente, al hacer la comparaci´on con la proporcionada por el datasheet, se observa que en ambos casos, la tensi´on umbral es dada aproximadamente a los 0,6 V en el diodo, dato que se confirma tanto en la gr´afica como en el valor obtenido a partir de una aproximaci´on a esta. Cuando el diodo se encontraba a una mayor temperatura se observa que este comienza a conducir a una menor tensi´on umbral. Segun la informacion dada por el datasheet,el voltaje esperado en el diodo al pasar por el una corriente de 50 mA debe ser mayor a los 0.7 V, esto es congruente con los datos obtenidos, siendo esta una de las razones por la cual el voltaje m´aximo alcanzado por la fuente es mayor a los 25 V esperados, esto se puede deber, bien sea a la incertidumbre y el margen de error propio del potenci´ometro, como a que el diodo presentaba una ca´ıda mayor a los 0,7 V por lo que se necesitaba mayor voltaje para obtener la misma corriente,como es el caso. Observando los valores de resistencia din´amica , se puede apreciar que estos valores son menores a 1Ω, esto se debe a que a partir de una tensi´on superior a la tensi´on umbral la intensidad que circula por el diodo aumenta mucho con ligeras variaci´on en el valor de la tensi´on de polarizaci´on por tanto el diodo deja pasar toda la corriente con una ligera variaci´on en la tensi´on VPN. En cuanto al valor de la constante emp´ırica(η) que
Respecto al valor de corriente de saturaci´on se observa que e ambos casos estos se encuentran muy cercanos a 0, siendo m´as cercano en el obtenido dado a temperatura ambiente. Finalmente, al observar la gr´afica que relaciona ambas caracterizaciones, se observa que la gr´afica correspondiente a la caracterizaci´on a una temperatura m´as alta se encuentra desplazada a la izquierda, esto se debe, a que el voltaje umbral y la resistencia din´amica son menores, propiciando este comportamiento.
B. Procedimiento N ◦ 2
Fig. 12: Circuito para visualizaci´on del tiempo de recuperaci´on inversa 1) Tiempo de Recuperaci´on Inversa: Para el circuito de la figura 14, se observ´o mediante el osciloscopio el tiempo de recuperaci´on inversa cuando D1 correspond´ıa al diodo 1N4004 y 1N4148. Adem´as se vari´o la magnitud de la frecuencia para cada diodo y se observ´o el comportamiento de la gr´afica con el cambio de frecuencias. Para observar el comportamiento de la gr´afica y poder analizar cu´al es el tiempo de recuperaci´on en inverso se intrudujo en el osciloscopio las especificaciones de una onda cuadrada de Vpp = 10.
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•
Resultados: Diodo 1N4004 Para el diodo 1N4004 se tomaron frecuencias desde 60Hz a 10kHz. Para poder ver el tiempo de recuperaci´on en inverso de este diodo se necesitaban frecuencias muy altas. Para valores de frecuencia entre 60 Hz y 120 Hz no se alcanzaba a percibir ning´un cambio notorio en la gr´afca. Para frecuencias entre 10kHz y 100Hz se percib´ıa un alargamiento en el inicio de cada ciclo pero a´un asi no se alcanz´o a identificar gr´aficamente el tiempo de recuperaci´on en inverso para el diodo 1N4004. En los datasheet de esta referencia de diodo se puede ver que el tiempo de recuperaci´on en inverso es de 30µs. En las figuras 13 y 14 se puede observar el leve cambio que se identifica cuando la frecuencia es de 60Hz y cuando es de 10kHz.
8
Fig. 15: Diodo 1N4004. Frecuencia 60Hz
Fig. 13: Diodo 1N4004. Frecuencia 60Hz
Fig. 16: Diodo 1N4004. Frecuencia 50kHz
•
Fig. 14: Diodo 1N4004. Frecuencia 10kHz Diodo 1N4148 Para el diodo 1N4148 se tomaron frecuencias desde 60Hz a 500kHz. En este diodo si fue posible identificar claramente a partir de la gr´afica el tiempo de recuperaci´on en inverso cuando se introdujo una frecuencia de 500kHz en el generador de se˜nales. Tambi´en se vi´o el cambio progresivo de las gr´aficas ya que en 60Hz (figura 17) se ve´ıa inicialmente una prolongaci´on hacia abajo en el inicio de cada ciclo y a medida que se aument´o la frecuencia se vio en detalle la bajada y subida de la onda. Observando la gr´afica de la figura 17 se puede decir que el tiempo de recuperaci´on en inverso es de 1µs, ya que la divisi´on de tiempo en el osciloscopio es de 250ns y se observa que la gr´afica se demora 4 cuadros en subir.
An´alisis de Resultados: Como se pudo comprobar en la pr´actica de laboratorio el tiempo de recuperaci´on en inverso var´ıa dependiendo la referencia del diodo. No nos fue posible calcular el del diodo 1N4004 ya que no probamos frecuencia mayores a 10kHz. En el diodo de referencia 1N4148 se aplicaron frecuanecias ucho m´as altas y se pudo identificar claramente por medio de la gr´afica el trr . En esta gr´afica tambien se puede identificar y apoximar el tiempo de almacenmiento y de ca´ıda. El tiempo de almacenamiento (ta ) ser´ıa aproximadamente 250ns y el tiempo de ca´ıda (tc ) rondar´ıa por los 750ns; y como se sabe la suma de estos tiempos nos da como resultado el tiempo de recuperaci´on en inverso.
2) Caracterizaci´on del Fotodiodo: Con el circuito de la figura 17 se hizo la caracterizaci´on del fotodiodo utilizando la relaci´on entre la tensi´on del fotodiodo y la distancia entre el componente emisor y receptor. Con los datos hallados se encontr´o la m´ınima distancia en la cual el fotodiodo se encuentra activo.
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a partir de la relaci´on del voltaje del receptor y la distancia que hay entre este y el emisor. Con esta relaci´on nos podemos dar cuenta que el voltaje es directamente proporcional a la distancia entre el emisor y el receptor. Por lo tanto a mayor distancia la luz se refleja menos en el fotodiodo y no alcanza a estar activo. Adem´as la configuraci´on usada es de tipo auto-reflexiva, es decir que tanto el emisor como el receptor se encuentran ubicados uno al lado del otro y la luz emitida que viaja en l´ınea recta se refleja en un objeto o superficie hacia el fotodiodo.
Fig. 17: Diodo 1N4004. Frecuencia 50kHz •
Resultados: Los datos medidos a diferentes distancias fueron:
IV. P REGUNTAS •
En el circuito de la Figura 8, ¿qu´e ocurre con la resistencia cuando circula la corriente m´axima (con la fuente en 25 V)? En la resistencia, en caso de el que diodo fuera un diodo ideal esta presentar´ıa un voltaje de 25 V y una corriente de 0,0514 A o 51,4mA, en caso de tomar el comportamiento del diodo como ca´ıda de tensi´on constante en un diodo de silicio este tendr´ıa una ca´ıda de tensi´on de 0,7V por tanto la resistencia tendr´ıa un voltaje de 24,3V y una corriente de 50mA, como en este caso el diodo no es ideal y se realiz´o su caracterizaci´on se obtiene el voltaje del diodo en este caso acorde a los datos obtenidos 0,761 V y para obtener la corriente m´axima deseada fue necesario aumentar el voltaje de la fuente a 25,4 V, por tanto el voltaje en la resistencia es de 24,64V y una corriente de 50,6mA.
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¿Cu´ales son las consecuencias de cambiar de polaridad la fuente que alimenta el circuito de la 8?
TABLA V: Voltaje vs. Distancia del Fotodiodo Distancia (cm) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Receptor 0,20 1,99 2,62 3,82 4,39 4,63 4,66 4,79
Emisor 1,21 1,23 1,23 1,21 1,25 1,27 1,26 1,26
Haciendo una relaci´on entre el voltaje del emisor y la distancia entre este y el receptor se puede ver que el voltaje tiende a ser constante para cualquier distancia como se observa en la figura 19.
Al cambiar la polaridad de la fuente ,debido a que el circuito se form´o con una fuente de DC el diodo quedar´ıa en paralizaci´on inversa , en esta polarizaci´on es m´as dif´ıcil la conducci´on, debido a que el electr´on libre tendr´ıa que subir una barrera de potencial muy alta de n a p, por lo cual funcionaria como un circuito abierto, sin embargo aunque la corriente que circula es muy cercana a 0, no lo es, seria la corriente de saturaci´on la cual es un valor por el orden de los pico amperios .
Fig. 18: Voltaje Emisor vs. Distancia Posteriormente al realizar la relaci´on entre el voltaje del receptor y la distancia entre este y el emisor se observ´o un comportamiento exponencial como se muestra en la figura 19. •
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Fig. 19: Voltaje Receptor vs. Distancia •
An´alisis de Resultados: La caracterizaci´on del fotodiodo se debe tener en cuenta
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¿Por qu´e es necesario alimentar el circuito de la ˜ cuadrada? Figura 10 con una senal La se˜nal cuadrada debido a sus cambios abruptos, es decir a sus formaciones de a´ ngulos de 90 grados, es la se˜nal en la que los cambios se resaltar´an de manera m´as pronunciada y precisa. Este tipo de onda cambia entre sus valores extremos sin pasar por sus valores intermedios lo cual permite que sea manipulada f´acilmente. ¿Qu´e pasa con los tiempos de recuperaci´on inversa si se var´ıa la resistencia R1? Si se aumenta el valor de la resistencia R1 el valor de la corriente disminuye y el voltaje aumenta, por lo que el tiempo de recuperaci´on inversa aumenta. De igual manera
Pr´actica 2. Diodos: Caracter´ısticas y Aplicaciones. L.Garz´on, L.Perdomo, J.Romero, Febrero 28 de 2018
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si disminuye el valor de la resistencia R1, la corriente aumenta, el voltaje disminuye y por tanto el tiempo de recuperaci´on inversa disminuye. ¿Los resultados obtenidos concuerdan con los valores suministrados por el fabricante? Los datos de tiempo de recuperaci´on inversa no concuerdan con los del fabricante ya que para el diodo 1N4004 trr = 30µs y en las mediciones a pesar de que no se alcanzaba a identificar el valor, le escala sugiere que era mucho m´as peque˜no que 30µs. Para el diodo 1N4148 en los datasheets se encuentra que trr = 4ns o trr = 8ns. En la pr´actca trr = 1µs lo cual tiene una gran diferencia con el valor de los datasheets. ¿Qu´e cambio obtuvo al variar la temperatura en la primera parte de la pr´actica? ¿Este cambio era predecible? La temperatura en el diodo tiene un efecto en la determinaci´on de su caracterizaci´on ,esto se debe a que conforme aumenta la temperatura, disminuye la tensi´on de encendido siendo una relaci´on inversamente proporcional, este cambio era predecible acorde a la siguiente ecuaci´on : V (T 1) − V (T o) = α (T 1 − T 2)
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siendo: To = Temperatura ambiente, o C. T1 = nueva temperatura del diodo, en o C. V (To) = tensi´on del diodo a temperatura ambiente V (T1) = tensi´on del diodo a la nueva temperatura. α= coeficiente de temperatura en V/◦C . vale -2,5 mV/◦C . para el germanio y -2 mV/◦C , para el silicio, siendo este un valor aproximado del desplazamiento de la curva. Adem´as de esto, la corriente de saturaci´on inversa a su vez tambi´en depende de la temperatura aumenta aproximadamente en aumenta aproximadamente 7,2 ◦ C 6 V. C ONCLUSIONES
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Se comprob´o que la ca´ıda de tensi´on presentada por el diodo esta alrededor de los 0,7 V, adem´as de que esta depende gran parte de las condiciones a las cuales se realiza la caracterizaci´on del mismo, en este caso comprobando sus cambios respecto a la temperatura.Al aumentar la temperatura, el valor del voltaje umbral en directo se hace menor, por lo que la gr´afica se desplaza a la izquierda a raz´on de y -2 mV/◦C , por tanto entre mayor sea el incremento de la temperatura m´as se acerca esta la caracterizaci´on del diodo a la dada por la caracterizaci´on de ca´ıda de tensi´on constante . En el circuito de la figura 16 el led act´ua como el emisor y el fotodiodo como el receptor. Esta configuraci´on de led y fotodiodo es de tipo auto-reflexiva.La correcta ubicaci´on de ambos permite la mayor absorci´on de luz en el fotodiodo.
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R EFERENCIAS [1] S. Sedra, C. Smith (2002). Circuitos Microelectr´onicos. 4th ed. M´exico, D.F.: Oxford University Press. [2] F, Gomez. ”Dispositivos Semiconductores” [Online]. Disponible: http://arantxa.ii.uam.es/ labweb/electronica/tutorialdiodo.html [Acceso: 07Mar-2018]. [3] ”Diodo LED”, [Online] Disponible en: http://www.electrontools.com/Home/WP/2016/06/30/como-funcionaun-diodo-led/ [Acceso: 07-Mar-2018]. [4] ”Qu´e es y para que sirve un fotodiodo”, [Online] Disponible en: http://www.ingmecafenix.com/automatizacion/fotodiodo/ [Acceso. 07Mar-2018]. [5] Rivamar, ”Diodos Semiconductores”, Universidad de Mendoza, 2018. [Online]. Disponible: https://es.slideshare.net/rivamara/diodos-normales. [Acceso: 06- Mar- 2018]. [6] ”Electr´onica de Potencia”, [Online] Disponible en: https://es.wikibooks.org/wiki/ElectrC3B3nicaPotencia/Diododepotencia/Par C3A1metroscaracterC3ADsticosdefuncionamiento [Acceso: 06- Mar2018].