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MANUAL DE PRACTICAS DE LABORATORIO PARA LA MATERIA DE ELECTRONICA ANALOGICA I

OBJETIVO GENERAL::

El alumno identificará los componentes básicos electrónicos, y los interconectará de manera adecuada, para construir diferentes circuitos de aplicación, que le permitan comparar y evaluar los resultados reales, contra los obtenidos de simulaciones usando modelos teóricos.

CONTENIDO

PRACTICA No. 1

MANEJO DEL OSCILOSCOPIO Y GENERADOR DE FUNCIONES

OBJETIVO: Familiarizarse con el manejo del equipo de laboratorio mas frecuentemente utilizado

PRACTICA No. 2

CIRCUITOS CON DIODOS EN CD Y CA

OBJETIVO: Verificar en forma experimental el comportamiento de circuitos con diodos y comparar los resultados con el análisis usando modelos de segmentos lineales.

PRACTICA No. 3

CIRCUITOS RECTIFICADORES MONOFASICOS

OBJETIVO: El alumno aprenderá a construir en forma experimental circuitos rectificadores de media onda y onda completa, basados en un diseño teórico, así como a evaluar su comportamiento, con instrumentos de medición.

PRACTICA No. 4

CIRCUITOS RECTIFICADORES CON FILTRO CAPACITIVO

OBJETIVO: El alumno verificará en forma experimental, el diseño de rectificadores con filtro capacitivo.

PRACTICA No. 5

REGULADOR DE VOLTAJE CON DIODO ZENER

OBJETIVO: El alumno manejará circuitos reguladores de voltaje con diodo Zener en forma experimental. PRACTICA No. 6

CIRCUITOS LIMITADORES Y FIJADORES DE NIVEL

OBJETIVO: Contribuir a desarrollar en el alumno la habilidad para analizar y diseñar circuitos limitadores y fijadores de nivel con diodos.

PRACTICA No. 7 CIRCUITOS DE POLARIZACION DEL TRANSISTOR BJT OBJETIVO: Determinar en forma experimental las corrientes y voltajes del punto de operación de diferentes circuitos de polarización de transistores BJT.

PRACTICA No. 8

EXCURSION DE SALIDA DE UN CIRCUITO CON TRANSISTOR

OBJETIVO: Determinar en forma experimental la máxima salida de señal libre de distorsión.

PRACTICA No. 9

ESTABILIDAD DE LA POLARIZACIÓN DE UN TRANSISTOR BJT

OBJETIVO: Determinar el desplazamiento del punto “Q” para cambios en las variables que inciden en él.

PRACTICA No. 10

CIRCUITO REGULADOR DE VOLTAJE CON TRANSISTOR

OBJETIVO: Contribuir a desarrollar la habilidad para diseñar circuitos reguladores de voltaje con transistores BJT.

PRACTICA No. 11

CIRCUITOS DE POLARIZACION DEL JFET Y MOSFET

OBJETIVO: Determinar en forma experimental las corrientes y voltajes del punto de operación de circuitos con JFET y MOSFET.

PRACTICA No. 12

CARACTERIZACION DE REDES DE DOS PUERTOS

OBJETIVO: Determinar en forma experimental los parámetros que caracterizan a las redes de dos puertos

PRACTICA No. 13

DISEÑO DE AMPLIFICADORES CON BJT Y MOSFET

OBJETIVO: El alumno desarrollará la habilidad para construir amplificadores con transistores BJT y con MOSFET.

PRACTICA

1

MANEJO DEL OSCILOSCOPIO Y GENERADOR DE FUNCIONES OBJETIVO: Familiarizarse con el manejo del equipo de laboratorio mas frecuentemente utilizado

MATERIAL Y EQUIPO REQUERIDO: OSCILOSCOPIO GENERADOR DE FUNCIONES MULTIMETRO DIGITAL

INTRODUCCION OSCILOSCOPIO El osciloscopio es el instrumento mas importante para la práctica de técnicos e ingenieros en electrónica. Permite la visualización de una señal que puede revelar cierta información con respecto a las características de operación de un circuito o sistema que no es posible observar con un multímetro En resumen, el osciloscopio puede ser usado para medir el voltaje promedio el voltaje eficaz, frecuencia y periodo de cualquier señal periódica. La pantalla está dividida en cuadros de un centímetro por lado. La sensibilidad vertical se mide en volts/cm., mientras que la sensibilidad horizontal se mide en seg/cm. Si una señal ocupa 6 divisiones verticales y la sensibilidad vertical está en 5mV/div. La magnitud de la señal se determina así:

Vs = (5mV/div) (6div) = 30 mV Si un ciclo de la misma señal ocupa 8 divisiones en la escala horizontal con la sensibilidad horizontal en 5 µ s/div, el período y la frecuencia de la señal se determinan así: T = (5µ s/div) (8div) = 40µ s f = 1/T = 1/40µ s = 25Khz

GENERADOR DE FUNCIONES El generador de funciones es un instrumento que proporciona ondas senoidales, cuadradas y triangulares de distintas amplitudes y frecuencias. Aunque la frecuencia del generador de funciones puede ser ajustada por el

selector de posición, el osciloscopio se utiliza para un ajuste preciso de amplitud y frecuencia. Aún cuando el osciloscopio y el generador de funciones no son tema de estudio del programa de la materia de ELECTRONICA ANALOGICA I, ya que ambos instrumentos se tratan en el curso de MEDICIONES ELECTRICAS Y ELECTRONICAS, es necesario un recordatorio preeliminar antes de abordar el estudio de los circuitos electrónicos, por lo tanto no se debe temer mover los botones de control de ambos instrumentos, hasta desarrollar completamente las habilidades con estos equipos y si fuera necesario, pasar mas tiempo en el laboratorio mejorando tus habilidades que puedes llegar a necesitar en tu empleo al graduarte.

METODOLOGIA

El profesor hará una breve descripción de las secciones del osciloscopio y del generador de funciones, así como explicará la función de cada uno de los controles y a continuación los alumnos deberán seguir las indicaciones para el desarrollo de la práctica, así como las instrucciones del profesor.

DESARROLLO DE LA PRACTICA a) Encienda el osciloscopio y ajuste los controles necesarios para establecer una línea clara y brillante en el centro de la pantalla b) Conecte el generador de funciones a uno de los canales verticales del osciloscopio y fije la salida del generador a una onda senoidal de 1Khz c) Ajuste el control Volt/div del osciloscopio en 1 Volt/div y ajuste el control de amplitud del generador hasta mostrar una onda en la pantalla de 4 Vpp. d) Determine el periodo de una onda senoidal de 1 Khz. ( T = 1/f ) T = ___1ns___

e)

Ajuste el control time/div del osciloscopio en 0.2 ms/div, con este ajuste y usando el resultado del inciso d) calcule cuantas divisiones horizontales se requieren para mostrar un ciclo completo de la onda de 1Khz. Número de divisiones = ____4____

f)

Usando el osciloscopio mida el número de divisiones horizontales de un ciclo completo de la señal del generador. ¿Cómo es este resultado comparado con el obtenido en el inciso anterior? Número de divisiones = _____4___

g)

Cambie el control time/div a 0.5 ms/div, sin mover ningún control del generador de funciones, usando el resultado del inciso d) ¿Cuantas divisiones horizontales se requieren ahora para mostrar la misma onda de 1 Khz.? Número de divisiones = ___2_____

h) Usando el osciloscopio mida el número de divisiones horizontales de un ciclo de la señal del generador y compare el resultado con el obtenido en el inciso anterior Número de divisiones = __2______ i)

Repita los dos incisos anteriores con el control time/div en 1 ms/div Número de divisiones (calculado) = ___1_____ Número de divisiones (medido)

= ___1_____

j)

¿Qué sucede con la onda mostrada en la pantalla conforme se cambió el control de time/div de 0.2 a 0.5 y a 1 ms/div? ¿Cambió su frecuencia? ¿Cuál es su conclusión? R=que la onda se hace mayor o mas grande con forme aumenta los time/divs

k) No mueva ningún control del generador de funciones, pero regrese el control de time/div del osciloscopio a 0.2 ms/div y cambie el control de volt/div a 2 volt/div. Calcule el voltaje pico-a-pico de la onda mostrada, contando el número de divisiones verticales y multiplicando el resultado por la posición de volt/div. Valor pico-a-pico = ___2.2vpp___ l)

Cambie el control volt/div a 0.5 volt/div y repita el inciso anterior. ¿Cambió el valor pico-a-pico de la onda cuando se cambió el control volt/div? ¿Qué conclusión se puede obtener de los resultados? R=los cuadros aumentaron pero se conserva los mismos time/divicion

m)

¿Se puede fijar la salida del generador de funciones sin el auxilio de un osciloscopio o un multímetro? Explique. R= si por que contamos con controles fijadores.

EJERCICIOS a) Haz los ajustes necesarios para mostrar en la pantalla del osciloscopio una onda senoidal de 5 Khz. Y 6 Vpp. Establece la línea de 0 v. en el centro de la pantalla (toma nota de los ajustes de los controles). Posición de volt/div = __50v__ Posición de time/div = _25ms_

Dibuje la forma de onda en la figura 1.1 contando el número requerido de divisiones verticales y horizontales.

Figura 1.1 Calcule el período de la forma de onda usando el número de divisiones requeridas para un ciclo completo. T = ________ b) Repita el inciso anterior para una onda senoidal de 200 Hz. Y 0.8 Vpp en la figura 1.2

Figura 1.2 T = _______ c) Repita el inciso anterior para una onda cuadrada de 100 Khz. Y 4 Vpp en la figura 1.3

Figura 1.3 T = ________

EFECTO EN LOS NIVELES DE CD a) Reestablezca la señal senoidal de 1 Khz. Y 4 Vpp en la pantalla, calcule

el valor eficaz de la onda senoidal. Vrms = ______ b) Desconecte el generador de funciones del osciloscopio y mida el valor eficaz (rms) de la salida del generador de funciones usando el multímetro digital. Vrms = ______ c) Determine la diferencia porcentual entre el valor calculado y el valor medido de la siguiente manera. % de Diferencia = |(Vcalc. – Vmed.)/Vcalc| x 100 % de Diferencia = _____ d)

Reconecte el generador de funciones al osciloscopio con la señal de 1 Khz. Y 4 Vpp y mueva el interruptor AC-GND-DC a la posición GND. ¿Cual fue el efecto? ¿Porqué? ¿Cómo se podría utilizar esta función?

e) Mueva el interruptor AC-GND-DC primero a la posición AC y luego a la posición DC. Explique que sucede en cada caso y como podría utilizarse cada una de estas funciones. f)

Desconecte el generador de funciones del osciloscopio y coloque una pila en serie con la salida del generador. Asegúrese de medir antes el Voltaje de la pila y que la tierra del osciloscopio esté directamente conectada a la tierra del generador de funciones. Voltaje de la pila = ______

g)

Conecte el osciloscopio a la combinación en serie de generador y pila, con el interruptor de acoplamiento AC.GND-DC en la posición GND y coloque la línea horizontal resultante (nivel de referencia de cero) a la mitad de la pantalla. Después mueva el interruptor AC-GND-DC a la

posición AC y realice un bosquejo de la forma de onda mostrada en la pantalla en la figura 1.4, indicando el valor de cada linea horizontal y vertical de la carátula, de acuerdo a las sensibilidades seleccionadas.

Figura 1.4 h)

Cambie la posición del interruptor AC-GND-DC a la posición DC y haga Un bosquejo de la forma de onda resultante, en la figura 1.5 incluyendo Los detalles requeridos en el inciso anterior.

Figura 1.5 ¿Es el desplazamiento vertical de la onda senoidal igual al voltaje de la pila? ¿Cambia el tamaño de la onda senoidal al mover el interruptor ACGND-DC a través de varias posiciones? i)

Invierta la polaridad de la batería y repita los incisos g) y h), observe los efectos en la forma de onda y coméntelos a continuación.

BIBLIOGRAFIA

PRACTICA

2

CIRCUITOS CON DIODOS EN CD Y CA OBJETIVO: Verificar en forma experimental el comportamiento de circuitos con diodos y comparar los resultados con el análisis usando modelos de segmentos lineales.

MATERIAL Y EQUIPO REQUERIDO: MULTIMETRO DIGITAL

FUENTE DE ALIMENTACION CD 1 RESISTOR DE 1KΩ 2 RESISTORES DE 2.2 KΩ 1 PROTOBOARD

INTRODUCCION El análisis de circuitos con diodos y entrada de CD, requiere primeramente determinar el estado del diodo. Para diodos de silicio (con un voltaje de transición de 0.7 V.), el voltaje a través del diodo debe ser por lo menos de 0.7 V., si éste se encuentra polarizado directamente y entonces puede ser sustituido por una batería de 0.7 V. Para voltajes del diodo menores a 0.7 V. (polarización inversa) el diodo puede ser aproximado por un circuito abierto. Para diodos de germanio solo se debe cambiar el voltaje de transición por un valor de aproximadamente 0.3 V.

+ Vd >=0.7V -

+ 0.7V -

DIODO DE SILICIO + Vd >=0.3V -

+ 0.3V -

DIODO DE GERMANIO

El análisis de compuertas lógicas con diodos requiere hacer suposiciones acerca del estado de los diodos, determinar los distintos niveles de voltaje y posteriormente determinar si los resultados violan o no las leyes del análisis de circuitos, tal como el hecho de que un punto en una red, debe tener solamente un nivel de voltaje.

METODOLOGIA El profesor hará un breve resumen de los diferentes modelos de segmentos lineales para representar en forma aproximada la operación de un diodo real (subtema 1.1 del programa de estudio de la asignatura), haciendo énfasis en las ventajas del uso de modelos matemáticos para el análisis (simulación) de circuitos con componentes electrónicos, así como también, mencionando las desventajas del uso de éstos modelos. El alumno deberá seguir las instrucciones del profesor, así como las indicaciones descritas en este manual.

DESARROLLO DE LA PRACTICA a) Construya el circuito de la figura 2.1, mida y registre el valor medido de R R = _____

Figura 2.1

b)

Usando el modelo de caída constante, calcule el voltaje a través de la resistencia R y anote su valor. VR = __________

c) Mida el voltaje con el multímetro digital (MMD) a través de la resistencia R y compare ambos valores obtenidos. VR = ______ d) Construya el circuito de la figura 2.2, mida y registre los valores de las dos Resistencias. R1 = _________ R2 = __________

Figura 2.2

e)

Usando el modelo de caída constante, calcule el voltaje a través de la resistencia R2 y anote su valor. VR2 = _______

f)

Usando el MMD mida el voltaje en el diodo y en cada resistencia, anotando los valores correspondientes. VR1 = ___________ VR2 = ___________ VD = _________

Compara los resultados para VR2 obtenidos en los dos incisos anteriores. g) Invierte los terminales del diodo en el circuito de la figura 2.2 y calcula los valores teóricos de VD, VR1 y VR2. VR1 = ______ VR2 = ______ VD = ______ h) Usando el MMD mida los voltajes en el diodo y en cada resistencia, anótelos abajo y compare los resultados de los dos incisos anteriores VR1 = ______ VR2 = ______ VD = ______

i)

Construya el circuito de la figura 2.3 registrando el valor medido de R R = _______

Figura 2.3 j)

Calcule los valores teóricos de los voltajes en ambos diodos y el de la resistencia R. VSi = _____ VGe= _____ VR = _______

k) Mida los voltajes de ambos diodos y de la resistencia con el MMD, anotando sus valores y compáralos con los obtenidos en el inciso anterior.

VSi = _____ VGe= _____ VR = _______

EJERCICIOS Siguiendo el mismo procedimiento a continuación se presentan una serie de circuitos, en los cuales el alumno deberá calcular los valores teóricos solicitados, anotarlos y posteriormente, construir los circuitos y medir los valores con el multímetro digital (MMD).

Figura 2.4

a) Para el circuito de la figura 2.4: Calcule: VR = ___________ VSi = ___________ VGe= ___________

Mida: VR = ___________ VSi = ___________ VGe= ___________

Figura 2.5

b) Para el circuito de la figura 2.5: Calcule:

Mida:

VR1 = ___________ VSi = ___________ VR2= ___________

VR1 = ___________ VSi = ___________ VR2= ___________

Figura 2.6 c)

Para el circuito de la figura 2.6: Calcule: VR = ___________ VSi = ___________ VGe= ___________

Mida: VR = ___________ VSi = ___________ VGe= ___________

Figura 2.7 d)

Para el circuito de la figura 2.7: (VR0 = voltaje del extremo de R a tierra) Calcule:

Mida:

VR0 = ___________

VR0 = ___________

e) Conecte ambos diodos a +5V y repita el experimento Calcule:

Mida:

VR0 = ___________ f)

VR0 = ___________

Conecte ambos diodos a tierra y repita el experimento Calcule:

Mida:

VR0 = ___________

BIBLIOGRAFIA

VR0 = ___________

PRACTICA

3

CIRCUITOS RECTIFICADORES MONOFASICOS OBJETIVO: El alumno aprenderá a construir en forma experimental circuitos rectificadores de media onda y onda completa, basados en un diseño teórico, así como a evaluar su comportamiento, con instrumentos de medición MATERIAL Y EQUIPO REQUERIDO:

OSCILOSCOPIO MULTIMETRO DIGITAL GENERADOR DE FUNCIONES 4 DIODOS RECTIFICADORES DE SILICIO 1 RESISTOR DE 3.3 KΩ 2 RESISTORES DE 2.2 KΩ 1 TRANSFORMADOR DE 12.6 Vrms CON DERIVACION CENTRAL 1 PROTOBOARD

INTRODUCCION La función primordial de los circuitos rectificadores, es suministrar un nivel de CD como salida, para una entrada senoidal con valor promedio cero. La salida de un rectificador de media onda (Fig. 3.1) se obtiene, normalmente con un simple diodo y tiene un valor promedio o nivel de CD, igual al 31.8% del valor pico de salida. La salida de un rectificador de onda completa (Fig. 3.2) tiene el doble del valor promedio o nivel de CD del rectificador de media onda, igual al 63.6% del valor pico de salida. Para entradas senoidales muy grandes, el voltaje de transición del diodo pude ser ignorado en el análisis, sin embargo para situaciones en donde esto no sucede, se puede tener un efecto notable en voltaje CD de salida.

En los sistemas rectificadores, el voltaje inverso pico (VIP) o voltaje de ruptura inverso, es un parámetro que debe ser considerado muy cuidadosamente. Para rectificadores de media onda, el nivel de VIP es igual aproximadamente al valor pico de la entrada senoidal. Para rectificadores de onda completa de cuatro diodos, el nivel de VIP es aproximadamente igual al valor pico de la entrada senoidal. Pero para rectificadores de onda completa de dos diodos y transformador con derivación central, el VIP es aproximadamente el doble del valor pico de la entrada senoidal. Se debe tener cuidado que el VIP calculado en un circuito rectificador siempre sea menor que el voltaje de ruptura máximo (VRM) especificado por el fabricante para cada diodo.

METODOLOGIA Los alumnos divididos en equipos de trabajo, se distribuirán en las mesas de trabajo del laboratorio, solicitarán el equipo necesario en la caseta mediante un vale, y deberán seguir las indicaciones del profesor, así como la guía de este manual.

DESARROLLO DE LA PRACTICA a) Construya el circuito de la figura 3.3, mida el valor de la resistencia y anote su valor. Ajuste el generador de funciones para una onda senoidal de salida de 1Khz y 8Vpp usando el osciloscopio.

R = ______

Figura 3.3 Rectificador de media onda

b) Conecte el osciloscopio a los terminales del generador, teniendo cuidado que la tierra del generador y la tierra del osciloscopio estén unidas, y observe la forma de onda senoidal y grafíquela en la figura 3.4, anotando las sensibilidades horizontal y vertical. Time/div = _______ Volt/div = _______

Figura 3.4

c)

Determine cual seria la forma de onda del voltaje de salida v o a través de la resistencia R y trácela en la figura 3.4.

d) Conecte el osciloscopio a los terminales de R en la figura 3.3 (teniendo cuidado con los cables de tierra), con el interruptor AC-GND-DC en la posición DC, previo ajuste de la línea de cero en el centro de la pantalla con la posición GND. Grafique la forma de onda observada en la figura 3.5.

Figura 3.5 e) Calcule y anote el valor de CD del voltaje de salida a través de la resistencia R VCD = _______ f)

Mida el voltaje de salida de CD usando la escala DC del MMD y anote este Valor. VCD = _______ ¿Hay diferencia?

¿Explique a que se debe?

g)

Cambie la posición del interruptor AC-GND-DC a la posición AC ¿Cuál es el efecto en la salida? ¿Te parece que el área de la curva por debajo de la línea central es igual al área de la curva por encima de la misma?. Discute con los integrantes de tu equipo el efecto de la posición AC en formas de onda que tienen un valor promedio diferente de cero.

h)

Invierta la posición del diodo del circuito de la figura 3.3 y grafique la forma de onda que aparece en la pantalla del osciloscopio (asegúrese que el interruptor AC-GND-DC esté en la posición DC y que la línea de 0V esté preajustada con la posición GND) en la figura 3.6. Indique los valores máximos y mínimos.

Figura 3.6 i)

Calcule y mida el voltaje de CD de la forma de onda resultante de la figura 3.6, indicando los signos adecuados a la polaridad de referencia (calculado) VCD = ______ ( medido ) VCD = ______

j)

Construya el circuito de la figura 3.7. Mida y registre el valor de R R = _______

Figura 3.7 k) Determine la forma de onda de salida en forma teórica y grafíquela en la figura 3.8 (un ciclo completo), indicando valores máximos y mínimos.

Figura 3.8 l)

Con el osciloscopio observe la onda de salida y grafíquela en la figura 3.9 (recuerde colocar la posición DC y ajustar la línea de 0V).

Figura 3.9 m) Calcule el voltaje de CD de salida, usando la siguiente ecuación: VCD = Área total / 2π = (2Vm – VDxπ ) / 2 π =

0.318 Vm – VD / 2 VCD = _______

n) Mida el voltaje de salida de CD con el MMD y si existe diferencia, explique a que se debe. VCD = _______ o) Construya el circuito de la figura 3.10 y registre los valores medidos de las Resistencias. R1 = _______ R2 = _______

Figura 3.10

p) Determine en forma teórica la forma de onda del voltaje de salida y , grafique un ciclo en la figura 3.11, indicando los valores máximos y mínimos.

Figura 3.11

q) Con el osciloscopio observe la forma de onda del voltaje de salida, y dibújela en la figura 3.12. Recuerde colocar la posición DC y ajustar la línea de 0V. Indique sobre la gráfica los valores máximos y mínimos.

Figura 3.12 r)

Invierta los terminales del diodo en el circuito de la figura 3.10 y grafique la forma de onda resultante observada con el osciloscopio en la figura 3.13.

Figura 3.13 Compare los resultados de las figuras 3.12 y 3.13 y explique el porqué de las diferencias si las hay.

EJERCICIOS a) Construya el circuito de la figura 3.14 asegurándose de colocar correctamente los diodos y que la tierra esté como se muestra, si no está seguro llame a su profesor para una verificación. Mida y registre el valor de R, mida el voltaje rms del secundario del transformador con el MMD en escala DC y anótelo. R = ________ Vrms = ________

Figura 3.14 b) Calcule el valor pico del voltaje secundario usando el valor Vrms anotado antes. ( Vpico = 1.414 Vrms). Vpico = ______ c) Suponiendo un voltaje de 0.7V en cada diodo, dibuje como sería la forma de onda de salida esperada, en la figura 3.15, seleccionando las sensibilidades horizontal y vertical mas adecuadas de acuerdo al tipo de osciloscopio disponible.

Figura 3.15 d) Con el osciloscopio observe la forma de onda obtenida en la salida y regístrela en la figura 3.16 (recuerde hacer los ajustes previos), indicando los valores máximos y mínimos.

Figura 3.16 Compare los resultados de las figuras 3.15 y 3.16 y si hay diferencias explique a que se deben.

e) Calcule el voltaje de CD de la salida del rectificador de onda complete y anote este valor. VCD = _____

f) Mida el voltaje de CD de la onda de salida con el MMD y compare este valor con el obtenido teóricamente. VCD = _____ g)

Construya el circuito de la figura 3.17. Mida y registre el valor de R, así como el voltaje rms del secundario del transformador (con el MMD en escala de AC). R = _____ Vrms = _____

Figura 3.17

h) Determine la forma de onda del voltaje de salida esperada y dibújela en la figura 3.18, seleccionando las sensibilidades horizontal y vertical mas adecuadas, indique los valores máximos y mínimos.

Figura 3.18

i)

Con el osciloscopio observe la forma de onda obtenida en la salida y regístrela en la figura 3.19 (recuerde hacer los ajustes previos), indicando los valores máximos y mínimos.

Figura 3.19 j)

Determine el voltaje de CD de la onda de salida y regístrelo, después mida el mismo valor con el MMD en escala de DC y regístrelo. (calculado) VCD = _____ ( medido ) VCD = _____

BIBLIOGRAFIA

PRACTICA

4

CIRCUITOS RECTIFICADORES CON FILTRO CAPACITIVO

OBJETIVO: El alumno aprenderá a construir en forma experimental circuitos rectificadores de media onda y onda completa, basados en un diseño teórico, así como a evaluar su comportamiento, con instrumentos de medición.

MATERIAL Y EQUIPO REQUERIDO:

OSCILOSCOPIO MULTIMETRO DIGITAL GENERADOR DE FUNCIONES 4 DIODOS RECTIFICADORES DE SILICIO 1 RESISTOR DE 3.3 KΩ 2 RESISTORES DE 2.2 KΩ 1 TRANSFORMADOR DE 12.6 Vrms CON DERIVACION CENTRAL 1 PROTOBOARD

INTRODUCCION Todos los sistemas, circuitos y dispositivos electrónicos modernos, requieren para un funcionamiento correcto, un suministro de voltaje de alimentación de CD constante que no varíe con el tiempo ni con cambios en los propios circuitos. Los sistemas encargados de cumplir tal función se denominan fuentes de alimentación. Estas deben ser diseñadas cuidadosamente para evitar fallas en los sistemas que producirían costosas reparaciones. Las fuentes de alimentación están constituidas básicamente por tres secciones que son: Rectificador, Filtro y Regulador. Los rectificadores ya se estudiaron en la práctica anterior, en esta estudiaremos el comportamiento de un tipo de filtro muy comúnmente utilizado conocido como filtro capacitivo o filtro C. El objetivo de un filtro es reducir las variaciones del voltaje de salida de un rectificador, por esta razón se aprovecha la propiedad de los capacitares de oponerse a cambios bruscos de voltaje. Este tema fue visto teóricamente en el subtema 1.2 del programa de estudios de la asignatura correspondiente. El valor de la ondulación o voltaje de ondulación Vr para circuitos rectificadores de media onda con filtro capacitivo es: Vr= Vm / fxRxC En donde Vm es el voltaje pico de salida del rectificador, f la frecuencia de la señal de entrada, R el valor en ohms de la carga y C el valor del capacitor. Por lo que para un valor preestablecido de ondulación especificada se puede calcular el valor del capacitor correspondiente con un simple despeje.

Para un circuito rectificador de onda completa con filtro C la ondulación se calcula como sigue: Vr= Vm / 2xfxRxC Es decir; para un mismo valor de capacitor la ondulación se reduce a la mitad. Algo importante a considerar es el voltaje para el capacitor, ya que si no se especifica correctamente se corre el riesgo de que pueda explotar, además se debe tener cuidado con la polaridad del capacitor para evitar accidentes.

METODOLOGIA Los alumnos divididos en equipos de trabajo, se distribuirán en las mesas de trabajo del laboratorio, solicitarán el equipo necesario en la caseta mediante un vale, y deberán seguir las indicaciones del profesor, así como la guía de este manual.

DESARROLLO DE LA PRACTICA a)

Construya el circuito de la figura 4.1, Mida y registre el valor de R. R = _____

Figura 4.1 b) Calcula la forma de onda del voltaje de salida con su ondulación y dibújala en la figura 4.2

Figura 4.2 c) Conecta el osciloscopio a los extremos de R, cuidando que la tierra del osciloscopio y del generador estén unidas, usa la posición DC y dibuja la forma de onda observada en la pantalla en la figura 4.3

Figura 4.3 d)

Cambia el capacitor del circuito de la figura 4.1 por uno de 4.7 µ F y repite los incisos b y c anteriores, dibuja las formas de onda observada en el osciloscopio en la figura 4.4

Figura 4.4 e)

Cambia el capacitor del circuito de la figura 4.1 por uno de 10 µ F y repite los incisos c y d anteriores, dibuja las formas de onda observada en el osciloscopio en la figura 4.5

Figura 4.5 f) Construye el circuito de la figura 4.6, mide y registra el valor de R g) R = _____

Figura 4.6

h) Determine cuál sería la forma de onda del voltaje de salida incluyendo la ondulación y dibújala en la figura 4.7

Figura 4.7 i) Conecta el osciloscopio a los extremos de R, cuidando que la tierra del osciloscopio y del generador estén unidas, usa la posición DC y dibuja la forma de onda observada en la pantalla en la figura 4.8

Figura 4.8

j)

Cambia el capacitor del circuito de la figura 4.1 por uno de 47 µ F y repite los incisos g y h anteriores, dibuja la forma de onda observada en el osciloscopio en la figura 4.9

Figura 4.10 k)

Cambia el capacitor del circuito de la figura 4.1 por uno de 100 µ F y repite los incisos h) e i) anteriores, dibuja la forma de onda observada en el osciloscopio en la figura 4.11

Figura 4.11 l)

Construye el circuito de la figura 4.12, mide y registra el valor de R R = _____

Figura 4.12 m) Determina cuál sería la forma de onda del voltaje de salida incluyendo la ondulación y dibújala en la figura 4.13

Figura 4.13 n) Conecta el osciloscopio a los extremos de R, cuidando que la tierra del osciloscopio y del generador estén unidas, usa la posición DC y dibuja la forma de onda observada en la pantalla en la figura 4.14

Figura 4.14 o)

Cambia el capacitor del circuito de la figura 4.1 por uno de 47 µ F y repite los incisos l y m anteriores, dibuja la forma de onda observada en el osciloscopio en la figura 4.15

Figura 4.15

p)

Cambia el capacitor del circuito de la figura 4.1 por uno de 100 µ F y repite los incisos l y m anteriores, dibuja la forma de onda observada en el osciloscopio en la figura 4.16

Figura 4.16

BIBLIOGRAFIA

PRACTICA

5

REGULADOR DE VOLTAJE CON DIODO ZENER OBJETIVO: El alumno manejará circuitos reguladores de voltaje con diodo Zener en forma experimental MATERIAL Y EQUIPO REQUERIDO: FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE CD

MULTIMETRO DIGITAL 1 RESISTOR DE 100 Ω 1 RESISTOR DE 220 Ω 1 RESISTOR DE 330 Ω 1 RESISTORES DE 2.2 KΩ 1 RESISTOR DE 3.3 KΩ 1 DIODO ZENER DE 10V 1 PROTOBOARD

INTRODUCCIÓN Como se mencionó en la práctica anterior las tres partes fundamentales de una fuente de alimentación son el rectificador, el filtro y el regulador. En la actualidad existen muchos tipos de filtros cuya función es la de reducir la ondulación del voltaje de salida que ya fue atenuada por el filtro, a cantidades muy pequeñas, es decir; despreciables, de tal manera que el voltaje de salida del regulador sea similar al proporcionado por una batería de CD. En esta práctica estudiaremos únicamente el regulador del voltaje con diodo Zener ya que en la teoría de la unidad 1 del programa de la asignatura así lo establece. El diodo Zener es un dispositivo de unión p-n diseñado para aprovechar la región de ruptura que presentan todos los dispositivos semiconductores. Cuando el potencial de polarización inversa alcanza la región Zener la resistencia interna del dispositivo disminuye idealmente a 0, sin embargo; los diodos prácticos presentan un valor pequeño de resistencia limitado entre 5 y 20 Ohms. Esta resistencia interna hace que el voltaje en el diodo Zener no permanezca constante en la región de ruptura (lo que sería ideal), si no que varía con el nivel de corriente. En este experimento demostraremos la variación del voltaje de salida para diferentes valores de carga y diferentes niveles de corriente. Para muchas configuraciones, el estado del diodo Zener usualmente se determina simplemente reemplazando al diodo con un circuito abierto si el voltaje a través de el no alcanza el valor del voltaje de ruptura o si el voltaje es igual o

excede al voltaje de ruptura el diodo está encendido y se puede sustituir por una fuente de CD igual al potencial Zener.

METODOLOGIA Los alumnos divididos en equipos de trabajo, se distribuirán en las mesas de trabajo del laboratorio, solicitarán el equipo necesario en la caseta mediante un vale, y deberán seguir las indicaciones del profesor, así como la guía de este manual.

DESARROLLO DE LA PRACTICA

a)

Construya el circuito de la figura 5.1 inicialmente ajuste la fuente de CD a 0 V y registre le valor medido de R. R = ______

Figura 5.1 b)

Ajuste los valores de la fuente de CD (E) a los valores que aparecen en la tabla 5.2 y mida ambos valores VZ y VR. Use el rango de milivolts del MMD para valores bajos de VZ y VR.

E(V) VZ(V) VR(V) IZ=VR/R medida (mA)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Tabla 5.2 c)

Calcule la corriente Zener IZ en mA para cada nivel de E usando la ley de Ohm según se indica en el renglón inferior de la tabla 5.2 y completela.

d)

En este inciso se desarrollará la curva característica del diodo Zener. Debido a que la región Zener está en el tercer cuadrante coloque un signo menos al frente de cada nivel de Iz y Vz para cada dato. Construya la grafica con los datos de la tala 5.2 en la figura 5.3 seleccionando la escala apropiada para Iz y Vz.

Iz (mA)

Vz (V)

Figura 5.3 e)

Para el rango de corrientes medibles Iz en la parte mas lineal de la región ¿Cuál es el valor promedio de Vz? En otras palabras, para todos los propósitos prácticos ¿Cuánto vale Vz para este diodo Zener?

Vz= ________ f)

Para el rango de corrientes medibles Iz en la región lineal, estime la resistencia promedio del diodo Zener usando: rz avg = ∆ Vz/ ∆ Iz donde ∆ Vz es el cambio en el voltaje Zener para el correspondiente cambio en la corriente Zener. Si es necesario use los datos de la tabla 5.2 Rz= ________

g)

Para la región de Vz e Iz igual a 0 hasta el punto donde la característica se vuelve lineal calcule la resistencia del diodo Zener usando la ecuación del inciso anterior. Rz= ________

h)

¿Es el nivel calculado de resistencia igual al esperado par la región en la cuál el diodo Zener no conduce? ¿Cuál sería una aproximación apropiada para el diodo Zener en ésta región?

i) Usando los resultados de los incisos e y f, establezca el modelo equivalente para el diodo Zener de la figura 5.4. Es decir; inserte los valores de Rz y Vz.

Rz = ______

Vz = ______

Figura 5.4 e) Construye el circuito de la figura 5.5 mida y registre el valor de cada resistor R= ________ RL= ________

Figura 5.5

f)

Determine si el diodo Zener de la figura se encuentra en estado de conducción es decir; en la región de ruptura Zener. Use los valores medidos de ambos resistores y el valor para Vz determinado en el inciso e. Ignore los efectos de Rz en los cálculos. Si el diodo se encuentra en estado de conducción calcule los valores esperados de VL, VR, IR, IL e Iz, anote todos los cálculos. VL= ________ VR= ________ IR= ________ IL= ________ Iz= ________

g)

Energice el circuito de la figura 5.5 y mida con el MMD VL y VR usando estos valores calcule los niveles de IR, IL y Iz VL= ________ VR= ________ IR= ________ IL= ________ Iz= ________

h)

Cambie la resistencia RL a 3.3 KΩ y repita el inciso f, es decir; calcule los niveles esperados de VL, VR, IR, IL e Iz. VL= ________ VR= ________ IR= ________ IL= ________ Iz= ________

i)

Energice el circuito de la figura 5.5 con RL a 3.3 KΩ y mida con el MMD VL y VR usando estos valores calcule los niveles de IR, IL y Iz VL= ________ VR= ________ IR= ________ IL= ________ Iz= ________

j)

Usando el valor medio de R y de Vz determine el valor mínimo de RL requerido para garantizar que el diodo Zener esté encendido. RL min= ________

k)

Basándose en el resultado del inciso anterior ¿Colocará un resistor de carga RL igual a 2.2 KΩ al diodo Zener en el estado de conducción? Inserte una RL igual a 2.2 KΩ en el circuito de la figura 5.5 y mida con el MMD el valor de VL VL= ________

Compare los resultados conclusiones.

de los últimos dos incisos y saque sus

BIBLIOGRAFIA

PRACTICA

6

CIRCUITOS LIMITADORES Y FIJADORES DE NIVEL OBJETIVO:

Contribuir a desarrollar en el alumno la habilidad para analizar y diseñar circuitos limitadores y fijadores de nivel con diodos. MATERIAL Y EQUIPO REQUERIDO: OSCILOSCOPIO MULTIMETRO DIGITAL GENERADOR DE FUNCIONES 1 RESISTOR DE 100 Ω 1 RESISTOR DE 1 KΩ 1 RESISTORES DE 2.2 KΩ 1 RESISTOR DE100 KΩ 1 DIODO DE SILICIO 1 DIODO DE GERMANIO 1 PILA DE 1.5 V. 1 CAPACITOR DE 1 µ F

INTRODUCCION CIRCUITO LIMITADOR La función mas importante de un circuito limitador o recortador, es eliminar una porción de una señal alternante. El proceso lo realiza generalmente un diodo y una resistencia, pero también se pueden agregar voltajes de CD, para proporcionar desplazamientos o cortes adicionales. El análisis de circuitos limitadores con entradas de ondas cuadradas, es el mas fácil de realizar, ya que solo existen dos niveles de voltaje de entrada, y cada nivel se puede considerar como una entrada de CD durante el tiempo en que dicho nivel permanece. Para entradas senoidales y triangulares, se requiere un mayor número de valores instantáneos del voltaje de entrada, para ser consideradas como niveles de CD, y por lo tanto se incrementa el número de análisis requeridos para determinar los niveles de voltaje de salida. Una vez que existen un número

suficiente de valores de voltaje de salida, se puede bosquejar la forma de onda del voltaje de salida.

CIRCUITO FIJADOR DE NIVEL Los circuitos fijadores de nivel o sujetadores, se diseñan para fijar o sujetar una señal de entrada a un nivel deseado sin alterar la forma de onda ni el valor pico a pico. Los circuitos limitadores se distinguen de los fijadores de nivel en que éstos últimos incluyen un elemento capacitivo. Un sujetador típico, está constituido por un diodo, una resistencia y un capacitor y en ocasiones un voltaje de CD de referencia. Para analizar este tipo de circuitos se necesita un procedimiento paso a paso. El primer paso es determinar en que parte de la señal de entrada el diodo se polariza directamente, una vez que esto se determinó, se puede iniciar el análisis, sustituyendo al diodo por un modelo equivalente lineal y determinando el voltaje a través del capacitor y el voltaje de salida. El resto del análisis se puede determinar fácilmente si se seleccionó una red RC lo suficientemente grande para que el capacitor retenga su carga durante el semiperiodo en que el diodo permanece en circuito abierto. El análisis de un fijador de nivel se puede verificar rápidamente, comprobando que el valor pico a pico de la señal de entrada sea el mismo que el de la señal de salida.

METODOLOGIA Los alumnos divididos en equipos de trabajo, se distribuirán en las mesas de trabajo del laboratorio, solicitarán el equipo necesario en la caseta mediante un vale, y deberán seguir las indicaciones del profesor, así como la guía de este manual.

DESARROLLO DE LA PRACTICA Parte 1 Circuitos Limitadores a)

Construya el circuito de la figura 6.1. Mida y registre el valor de la resistencia R y el voltaje de la pila, ajuste la salida del generador de funciones para una señal de onda cuadrada de 8Vpp con una frecuencia de 1000 Hz. R = _______ V(pila) = _______

Figura 6.1 b)

Para el primer semiperíodo de la señal de entrada, calcule el voltaje de salida Vo es decir cuando el voltaje de entrada vale +4V Vo = _____

c)

Repita el inciso b) para el valor de la onda de entrada de -4V Vo = ____

d) Usando los resultados de los incisos b) y c) dibuje la forma de onda del voltaje de salida Vo con el eje central como línea de cero volts, en la figura 6.2; anotando las sensibilidades seleccionadas. Time / div = ______ Volt / div = ______

Figura 6.2

e) Conecte el osciloscopio a la salida del circuito de la figura 6.1, asegurándose de hacer los ajustes necesarios y de usar las mismas sensibilidades del inciso anterior, y dibuje la forma de onda observada en la pantalla en la figura 6.3.

Figura 6.3

Compare los resultados de los incisos d) y e) y haga sus comentarios f)

Invierta la polaridad de la batería en el circuito de la figura 6.1 y calcule Vo cuando la onda cuadrada aplicada vale +4V. Vo = _______

g) Repita el cálculo de Vo cuando la entrada aplicada vale -4V Vo = _______ h)

Usando los resultados de los incisos f) y g) , dibuje la forma de onda esperada para Vo en la figura 6.4, utilizando las mismas sensibilidades del inciso d).

Figura 6.4

i)

Conecte el osciloscopio a la salida del circuito de la figura 6.1, asegurándose de hacer los ajustes necesarios y de usar las mismas sensibilidades del inciso anterior, y dibuje la forma de onda observada en la pantalla en la figura 6.5.

Figura 6.5 Compare los resultados de los dos últimos incisos y haga sus comentarios

LIMITADORES EN PARALELO a)

Construya el circuito de la figura 6.6, mida y registre el valor de R, note que la entrada es ahora una onda cuadrada de 4 Vpp a 1000 Hz. R = _______

Figura 6.6 b) Calcule el valor de Vo, cuando el nivel de la onda cuadrada de entrada es +2V. Vo = _____ c) Repita el inciso anterior, cuando la onda de entrada vale -2V. Vo = _____ d)

Usando los resultados de los incisos previos bosqueje la forma de onda que resultaría en la figura 6.7, anotando las sensibilidades escogidas. Time / div = ______ Volt / div = ______

Figura 6.7 e) Conecte el osciloscopio a la salida del circuito de la figura 6.6, usando las sensibilidades seleccionadas en el inciso anterior y dibuje la forma de onda mostrada en la pantalla en la figura 6.8.

Figura 6.8 Compare los resultados de los incisos previos y haga sus comentarios

ENTRADA SENOIDAL a)

Reconstruya el circuito de la figura 6.1 y ajuste la salida del generador para una onda senoidal de 8Vpp y 1000Hz.

b)

Usando el mismo procedimiento dibuje la forma de onda esperada para Vo en la figura 6.9, calculando valores de Vo para los valores de entrada indicados.

Figura 6.9

Para Vi = +4V; Vo = _____ Para Vi = -4V; Vo = _____ Para Vi = 0V ; Vo = _____ Time / div = _____ Volt / div = _____

c) Conecte el osciloscopio a la salida del circuito reconstruido y dibuje la forma de onda mostrada en la pantalla, en la figura 6.10.

Figura 6.10 Compare los resultados obtenidos y saque sus propias conclusiones.

CIRCUITOS FIJADORES DE NIVEL a) Construya el circuito de la figura 6.11, mida y registre el valor de R. R = ______

Figura 6.11 b)

Calcule Vc y Vo para el intervalo de Vi en que el diodo puede conducir. Vc = ______ Vo = ______

c) Usando los resultados anteriores, calcule el nivel de Vo después que Vi cambia de valor y el diodo no puede conducir. Vo = ______

f)

Usando los resultados de los incisos b) y c) bosqueje la forma de onda que resultaría en la figura 6.12, anotando las sensibilidades escogidas. Time / div = ______ Volt / div = ______

Figura 6.12

g) Conecte el osciloscopio a la salida del circuito de la figura 6.11, usando las sensibilidades seleccionadas en el inciso anterior y dibuje la forma de onda mostrada en la pantalla en la figura 6.13.

Figura 6.13 Compare los resultados de los incisos previos y saque sus conclusiones

h) Invierta los terminales del diodo del circuito de la figura 6.11 y calcule los niveles de Vc y Vo para el intervalo de Vi en que el diodo puede conducir. Vc = ______ Vo = ______ i)

Usando los resultados anteriores, calcule el nivel de Vo después que Vi cambia de valor y el diodo no puede conducir. Vo = ______

j)

Usando los resultados de los incisos h) e i) bosqueje la forma de onda que resultaría en la figura 6.14, anotando las sensibilidades escogidas. Time / div = ______ Volt / div = ______

Figura 6.14 k) Conecte el osciloscopio a la salida del circuito de la figura 6.11, usando las sensibilidades seleccionadas en el inciso anterior y dibuje la forma de onda mostrada en la pantalla en la figura 6.15.

Figura 6.15 l)

Construya el circuito de la figura 6.16 y anote los valores medidos de R y E. R = _______ E = _______

Figura 6.16

m) Calcule Vc y Vo para el intervalo de Vi en que el diodo puede conducir. Vc = ______ Vo = ______ n) Usando los resultados anteriores, calcule el nivel de Vo después que Vi cambia de valor y el diodo no puede conducir. Vo = ______

o) Usando los resultados de los incisos m) y n) bosqueje la forma de onda que resultaría en la figura 6.17, anotando las sensibilidades escogidas. Time / div = ______ Volt / div = ______

Figura 6.17

p)

Conecte el osciloscopio a la salida del circuito de la figura 6.16, usando las sensibilidades seleccionadas en el inciso anterior y dibuje la forma de onda mostrada en la pantalla en la figura 6.18.

Figura 6.18 q) Invierta los terminales del diodo del circuito de la figura 6.16 y calcule los niveles de Vc y Vo para el intervalo de Vi en que el diodo puede conducir.

Vc = ______ Vo = ______ r)

Usando los resultados anteriores, calcule el nivel de Vo después que Vi cambia de valor y el diodo no puede conducir. Vo = ______

s) Usando los resultados de los incisos q) y r) bosqueje la forma de onda que resultaría en la figura 6.19, anotando las sensibilidades escogidas. Time / div = ______ Volt / div = ______

Figura 6.19 t)

Conecte el osciloscopio a la salida del circuito reconstruido de la figura 6.16, usando las sensibilidades seleccionadas en el inciso anterior y dibuje la forma de onda mostrada en la pantalla en la figura 6.20.

Figura 6.20

FIJADOR DE NIVEL CON ENTRADA SENOIDAL a)

En el circuito de la figura 6.16 cambie la salida del generador de funciones a una onda senoidal de 8Vpp y una frecuencia de 1000 Hz.

b)

Calcule Vc y Vo para el intervalo de Vi en que el diodo puede conducir. Vc = ______ Vo = ______

c)

Usando los resultados anteriores, calcule el nivel de Vo después que Vi cambia de valor y el diodo no puede conducir. Vo = ______

d) Dibuje la forma de onda esperada para Vo en la figura 6.21, calculando valores de Vo para los valores de entrada indicados.

Figura 6.21

Para Vi = +4V; Vo = _____ Para Vi = -4V; Vo = _____ Para Vi = 0V ; Vo = _____ Time / div = _____ Volt / div = _____

e) Conecte el osciloscopio a la salida del circuito reconstruido de la figura 6.16, usando las sensibilidades seleccionadas en el inciso anterior y dibuje la forma de onda mostrada en la pantalla en la figura 6.22.

Figura 6.22 f)

Cambie el valor de R en el circuito de la figura 6.11 por una de 1 KΩ y, observe el efecto en la pantalla del osciloscopio. ¿Cómo puede explicar esto?

g)

Repita lo mismo pero con una resistencia de 100 Ω. Comente los resultados obtenidos y saque una conclusión.

BIBLIOGRAFIA