EL Oscilador GUNN - Nota: 5,0 PDF

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En el documento se explica de manera breve y concisa el comportamiento del diodo Gunn y el funcionamiento general del oscilador obtenido a partir del mencionado efecto. De igual manera se analizan los resultados de manera gráfica con el fin de entender aún mejor cómo se generan las microondas y su c...

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TECNOLOGÍA DE GUÍAS DE ONDAS EL OSCILADOR GUNN

PRESENTADO A: MARÍA LUCÍA VARGAS VIVAS

PRESENTADO POR: JUAN SEBASTIÁN GUZMÁN ALARCÓN BRAYAM DAVID OTERO POMEO ISABELA TOLEDO BALCÁZAR

FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES LABORATORIO I DE SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES POPAYÁN, 2019

TECNOLOGÍA DE GUÍAS DE ONDAS EL OSCILADOR GUNN

1. INTRODUCCIÓN Las microondas son ondas electromagnéticas que cuentan con innumerables aplicaciones. La tecnología de estas ondas es utilizada en las telecomunicaciones, industria armamentística, radares, uso cotidiano, entre muchas otras. La generación de estas señales de frecuencias se puede realizar de diferentes maneras. El efecto Gunn es un instrumento eficaz para la generación de oscilaciones en este rango de frecuencias en los materiales semiconductores. Por medio de este efecto también se pueden obtener dispositivos como el oscilador Gunn, el cual permite generar potencias de microondas. En el documento se explica de manera breve y concisa el comportamiento del diodo Gunn y el funcionamiento general del oscilador obtenido a partir del mencionado efecto. De igual manera se analizan los resultados de manera gráfica con el fin de entender aún mejor cómo se generan las microondas y su comportamiento dentro de las guías de onda. 2. MARCO TEÓRICO Diodo Gunn El diodo Gunn, presenta la característica de oscilar cuando se alcanza una determinada intensidad del campo eléctrico [1]. Este diodo está basado en el comportamiento de los materiales semiconductores como el Arseniuro de Galio, que, al ser excitados con una tensión continua, genera frecuencias en el espectro de las microondas [2]. El Arseniuro de Galio (GaAs) es uno de los pocos materiales semiconductores que en una muestra con dopado tipo N, tiene una banda de energía vacía más alta que la más elevada de las que se encuentran ocupadas parcial o totalmente [3]. Efecto Gunn El efecto Gunn es una propiedad del cuerpo de los semiconductores y no depende de la unión misma, ni de los contactos, tampoco depende de los valores de tensión y corriente y no es afectado por campos magnéticos. Cuando se aplica una pequeña tensión continua a través de una placa delgada de Arseniuro de Galio (GaAs), ésta presenta características de resistencia negativa. Si dicha placa es conectada a una cavidad resonante, se producirán oscilaciones y todo el conjunto se puede utilizar como oscilador. Este efecto sólo se da en materiales tipo N (material con exceso de electrones) y las oscilaciones se dan sólo cuando existe un campo eléctrico. Estas oscilaciones corresponden aproximadamente al tiempo que los electrones necesitan para atravesar la placa de material tipo N cuando se aplica la tensión continua.

Comportamiento a. Comportamiento de resistencia positiva Cuando se aplica un voltaje a la placa (tipo N) de Arseniuro de Galio (GaAs), los electrones, que el material tiene en exceso, circulan y producen una corriente al terminal positivo. Si se aumenta la tensión, la velocidad de la corriente aumenta. Comportamiento típico y el gráfico tensión-corriente es similar al que dicta la ley de Ohm. b. Comportamiento de resistencia negativa Si a placa anterior se le sigue aumentando el voltaje, se les comunica a los electrones una mayor energía, pero en lugar de moverse más rápido, los electrones saltan a una banda de energía más elevada, que normalmente está vacía, disminuyen su velocidad y la corriente. De esta manera una elevación del voltaje en este elemento causa una disminución de la corriente. Eventualmente, el voltaje en la placa se hace suficiente para extraer electrones de la banda de mayor energía y menor movilidad, por lo que la corriente aumentará de nuevo con el voltaje.

Oscilador Gunn El oscilador de Gunn sirve para generar potencias de microondas. Este está basado en el diodo Gunn, el cual presenta la característica de oscilar cuando se alcanza una determinada densidad del campo eléctrico. El oscilador está conformado por un semiconductor que genera el efecto Gunn. Este efecto le sirve como instrumento eficaz para la generación de oscilaciones en el rango de las microondas [4]. El circuito posee una resistencia negativa y se encuentra oscilando sinusoidalmente con una frecuencia ω y la amplitud de la oscilación crece exponencialmente con el tiempo. El circuito resonante se consigue a través de cavidades coaxiales, de guía de onda u otro tipo de dispositivo. En cualquier caso, la resistencia negativa la da la característica del diodo Gunn, y el circuito resonante la da la geometría de los elementos. Los osciladores Gunn están compuestos por una cavidad resonante (cavidad cerrada metálica) y un elemento Gunn. La característica corriente-tensión del elemento Gunn contiene una región con pendiente negativa. Sólo en esta región de la característica el elemento Gunn no atenúa y puede compensar las pérdidas en el resonador de tal forma

que la oscilación se hace permanente y es posible obtener una potencia útil de microondas [5]. Guía de onda Una guía de onda es una estructura física a través de la cual se transmite la energía en forma de ondas electromagnéticas. La estructura actúa como un contenedor que confina las ondas en un espacio cerrado [6]. Cavidad resonante Consideremos una guía de ondas que terminamos en cortocircuito. Si a una distancia de media longitud de onda colocamos otro, la cavidad así formada permite la existencia de una onda estacionaria, de aquellas frecuencias cuyas semilongitudes de onda sean múltiplos enteros de la longitud de la guía. En otras palabras: la estructura resuena a esas frecuencias, por lo que se llama cavidad resonante [7]. Al igual que en un circuito oscilante de inductancia y capacidad, tambin en una cavidad resonante se pueden producir oscilaciones de las magnitudes de campo elctricas con una determinada frecuencia de resonancia f0. 3. REALIZACIÓN DEL EXPERIMENTO Para el desarrollo del experimento, se realizan los montajes presentados en la guía T 7.4.3 Tecnología de guías de ondas: El oscilador Gunn, como se muestra a continuación. 3.1. Montaje para curvas características del diodo Gunn

Fig 1. Montaje sin pared posterior y diafragma

Fig 2. Montaje sin pared posterior y diafragma

Fig 3. Montaje sin pared posterior y diafragma

3.2. Montaje para curvas características del oscilador Gunn

Fig 4. Montaje con pared posterior y diafragma

Fig 5. Montaje con pared posterior y diafragma

Luego de realizar el montaje, se procede a ajustar el equipo de alimentación de manera que se tenga control sobre las variables de los elementos. Al inicio de la sesión se presentaron ciertos inconvenientes por el desconocimiento de los equipos, la metodología de las guías y el software a utilizar. Sin embargo, posteriormente se logró desarrollar lo indicado en el manual y registrar efectivamente los datos y gráficos obtenidos.

4. RESULTADOS OBTENIDOS 4.1. Curvas características del diodo Gunn

UTH, I B

A

Fig 6. Curva característica corriente / tensión diodo Gunn

Azul: curva característica corriente /tensión. Sin resonador. Únicamente elemento Gunn en guía de ondas vacía. Rojo: potencia de microondas. Sin resonador. No se encuentra una potencia de microondas, excepto pequeños efectos parásitos. En la gráfica se logra observar como la corriente aumenta a medida que el voltaje también lo hace, hasta alcanzar un determinado valor de tensión (UTH = 3.19 V). En este punto la corriente comienza a decrecer, fenómeno explicado por el comportamiento del diodo Gunn. Pendiente A 𝑚=

𝑚=

𝑦2 − 𝑦1 𝑥2 − 𝑥1

121.8 − 25.7 1.44 − 0.29

𝑚 = 83 .56 𝑚𝐴/𝑉

Pendiente B 𝑚=

137.5 − 160.7 9.1 − 3.72

𝑚 = −4.31 𝑚𝐴/𝑉 Umbral máximo 𝐼 = 171.5 𝑚𝐴 𝑈𝐺 = 𝑈𝑇𝐻 = 3.19 𝑉 Hasta llegar a la tensión umbral UTH = 3.19 V, es decir, para U G < UTH, la resistencia diferencial RG del elemento Gunn es positiva. Para U G > UTH, la resistencia se convierte en negativa. Para poder encontrar los valores de las resistencias diferenciales, se encuentran los valores recíprocos de las pendientes de las curvas características del diodo Gunn (Fig 6). RG/ Ω 11.96

RG / Ω -231.89

4.2. Curvas características del oscilador Gunn En este segundo montaje, se incluyó el diafragma y la pared posterior, con el fin de hacer el análisis del comportamiento del oscilador Gunn y de su capacidad de generar potencias de microondas.

UTH, I

B

A

Fig 7. Curva característica corriente / tensión oscilador Gunn

Azul: curva característica corriente /tensión Rojo: potencia de microondas. Con resonador. Como era de esperarse, en la región donde la resistencia es negativa, el elemento Gunn no atenúa y logra compensar las pérdidas en el resonador, de modo que se establece una oscilación permanente y se consigue obtener una potencia de microondas. Pendiente A 𝑚=

𝑚=

𝑦2 − 𝑦1 𝑥2 − 𝑥1

121.1 − 11.4 1.43 − 0.14

𝑚 = 85 .03 𝑚𝐴/𝑉 Pendiente B 𝑚=

130.7 − 150.1 6.52 − 4.01

𝑚 = −7.72 𝑚𝐴/𝑉

Umbral máximo 𝐼 = 172 .25 𝑚𝐴 𝑈𝐺 = 𝑈𝑇𝐻 = 3.28 𝑉 Hasta llegar a la tensión umbral UTH = 3.28 V, es decir, para U G < UTH, la resistencia diferencial RG del elemento Gunn es positiva. Para U G > UTH, la resistencia se convierte en negativa. Para poder encontrar los valores de las resistencias diferenciales, se encuentran los valores recíprocos de las pendientes de las curvas características del oscilador Gunn (Fig 7).

RG/ Ω 11.76

RG / Ω -129.53

5. CONCLUSIONES ● Cuando se aplica un voltaje a una placa de un semiconductor tipo N, inicialmente se produce una corriente que aumenta a medida que la tensión también lo hace. En un momento, los electrones saltan a una banda de energía más elevada, disminuyen su velocidad y, por ende, se genera una disminución de la corriente, como se logra observar en las gráficas obtenidas. ● El concepto de resistencia negativa se logra obtener a partir del estudio de la gráfica tensión/ corriente en los elementos estudiados, y se concluye que es una propiedad únicamente teórica. ● El oscilador Gunn nos permite obtener la potencia de microondas con la inclusión del diafragma y pared posterior en el montaje para lograr adquirir sus propiedades como oscilador. ● Se observa en las gráficas obtenidas que en el mismo intervalo donde la pendiente de la curva tensión/ corriente es negativa, la potencia de microondas es mayor, comprobando el funcionamiento del oscilador Gunn. ● El manejo adecuado de los equipos en el laboratorio es fundamental para realizar una práctica exitosa y obtener resultados coherentes con el fin de analizar efectivamente los conceptos teóricos. 6. BIBLIOGRAFÍA [1] M. M. Obando, N. Charry, J. S. Pardo and H. Ortiz, "Oscilador Gunn," Neiva, 2013. [2] D. Alvarado, "Microondas. Oscilador Gunn," Monografías, 2005. [Online]. Available: https://www.monografias.com/trabajos20/gunn-oscillator/gunn-oscillator.shtml. [Accessed 6 Mayo 2019]. [3] Unicrom, "Diodo Gunn. Efecto Gunn," Unicrom, [Online]. Available: https://unicrom.com/diodogunn-efecto-gunn/. [Accessed 6 Mayo 2019]. [4] M. Perdomo, "Oscilador Gunn," Scribd, 2015. [5] Ld didactic, "Fundamentos físicos de la tecnología de microondas (Características del oscilador Gunn)," [Online]. Available: https://www.lddidactic.de/software/524221es/Content/ExperimentExamples/Technology/Topics/Gunn.htm. [Accessed 12 Mayo 2019]. [6] Ecured, "Guía de onda," [Online]. Available: https://www.ecured.cu/Gu%C3%ADa_de_onda. [Accessed 10 Mayo 2019]. [7] Ecured, "Cavidad resonante," [Online]. Available: https://www.ecured.cu/Cavidad_resonante. [Accessed 10 Mayo 2019]....