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GUIA DE LABORATORIO: ELECTRONICA ANALOGICA I

ING. JOSE TANCARA S.

LABORATORIO 1: CURVA CARACTERISTICA DEL DIODO RECTIFICADOR 1.- OBJETIVO: Determinar el modelo experimental del diodo rectificador 2.- OBJETIVOS ESPECIFICOS: 2.1.- Representar gráficamente, de 3 diodos rectificadores de diferente potencia 2.2.- Determinar la corriente de saturación inversa y el coeficiente de emisión 2.3.- Encontrar la ecuación empírica de la corriente del diodo en función de su voltaje. 3.- FUNDAMENTEO TEORICO Dentro de la familia de los semiconductores, el diodo es el dispositivo básico fundamental, que, a partir del conocimiento de sus características eléctricas, es posible estudiar a los demás semiconductores. La estructura del diodo, fig.1, muestra la unión de los dos materiales ‘P’ y ‘N’. El material ‘P’ corresponde al terminal Ánodo y el material ‘N’ corresponde al terminal Cátodo; El símbolo del diodo representa el sentido de la corriente convencional ID que pasa por el diodo, cuando se encuentra en polarización directa (PD); siendo necesario para ello que tenga que caer, en los terminales del diodo, una diferencia de voltaje VD; la polaridad indica que el potencial eléctrico del Ánodo debe ser mayor al potencial eléctrico del Cátodo. En caso de que la caída de voltaje en el diodo fuese contraria a la indicada, se considera que el diodo se encuentra en polarización inversa (PI); siendo el voltaje del diodo, negativo; la corriente asociada a este voltaje circula de Cátodo a Ánodo; si la corriente de PD se considera positiva, entonces esta corriente se considera negativa, se lo conoce como corriente de saturación inversa IS. La magnitud de esta corriente está en el orden de los nano o pico Amperios

Fig.1: Símbolo y composición del diodo rectificador, Ánodo (+) y Cátodo (-)

El modelo que relaciona la corriente y el voltaje del diodo, se lo conoce como la ecuación de Shockley, válido para las regiones de polarización en directa y en inversa:

(ec.1) donde IS es la corriente de saturación en inversa VD es el voltaje de polarización en directa aplicado a través del diodo n es un factor de idealidad, el cual es una función de las condiciones de operación y construcción física; varía entre 1 y 2 según una amplia diversidad de factores. 1

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El voltaje VT en la ecuación ec1 se llama voltaje térmico y está determinado por

(ec.2) donde k es la constante de Boltzmann = 1.38 x10 - 23 J/K T es la temperatura absoluta en Kelvin = 273+ la temperatura en °C. q es la magnitud de la carga del electrón _=1.6x x10 - 19 C. El valor del voltaje térmico, habitualmente utilizado a temperatura ambiente (27°C), es próximo a 26mV; este voltaje, es determinado en el siguiente procedimiento:

Por tanto, lo que distingue a un diodo de otro, en cuanto a su comportamiento, es la corriente de saturación inversa ‘Is’ y el coeficiente de idealidad: ‘n’; en algunas bibliografías también se lo conoce como coeficiente de emisión empírico.

Fig.2: Curva característica del diodo rectificador; línea segmentada (teórica); línea continua (real)

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Teóricamente, con todo perfecto, las características de un diodo de silicio deben ser como las muestra la línea punteada de la figura 2. Sin embargo, los diodos de silicio comerciales o reales, se desvían de la condición ideal por varias razones, entre ellas la resistencia de “cuerpo” interna y la resistencia de “contacto” externa de un diodo. Cada una contribuye a un voltaje adicional con el mismo nivel de corriente, como lo determina la ley de Ohm, lo que provoca el desplazamiento hacia la derecha que se muestra en la figura 2. El cambio de las escalas de corriente entre las regiones superior e inferior de la gráfica se observó antes. Para el voltaje VD también hay un cambio mensurable de escala entre la región derecha de la gráfica y la izquierda. Con valores positivos de VD la escala está en décimas de volts, y en la región negativa está en decenas de volts. En nuestro laboratorio, vamos a aproximar el comportamiento real de la corriente del diodo versus su voltaje a la ecuación de Shockley, denominándole ecuación empírica del diodo. Los diodos rectificadores, con el tiempo y las nuevas tecnologías de fabricación, han mejorado considerablemente; siendo notorio que los diodos antiguos de hace años atrás tenían corrientes de saturación inversa, en el orden de los mA, especialmente los que eran fabricados con germanio; luego esta corriente fue disminuyendo al orden de los nA y actualmente ya existen diodos con Is en el orden de los pA. 4.- MATERIAL - 1 Fuente DC regulada y ajustable - 2 Multímetros - 1 Protoboard - 1 Resistor de 330 o 470 ohmios, en 3W - 3 diodos rectificadores, de diferente potencia - Cables de conexión 5.- PROCEDIMIENTO 5.1 Verificación del estado, información nominal e identificación de los terminales de los componentes a utilizar. - Identificar las perillas de ajuste y los terminales de la fuente. - Verificar el valor óhmico del resistor, con ayuda del óhmetro. El resistor no tiene polaridad - Identificar los terminales Ánodo y cátodo de los diodos rectificadores y también verificar el buen estado de los mismos, con ayuda del óhmetro, en la posición de prueba de diodos. Luego a partir del código de los diodos, buscar la hoja técnica de los mismos, para completar la información técnica fundamental. 5.2 Implementar, en el protoboard, el circuito que permita examinar el comportamiento de los diodos en DC. De acuerdo al diagrama circuital de la figura 3: V1 I1

R1

+ V Vx

-

conmutador

+ V

Id Vd1

Vcc De 0v a 30v

D1

D2

D3

Fig.3: Diagrama circuital a implementar

3

-

Vy

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5.3 Funcionamiento del circuito: -

-

La fuente debe ser ajustada a diferentes niveles de voltaje, por lo menos en 5 niveles, comenzando de 0v, hasta un máximo que permita el diodo mas pequeño y la potencia de la resistencia. El voltímetro Vx, permite el ajuste de la fuente. Para cada nivel de voltaje, de la fuente, medir con el voltímetro Vy, el voltaje de cada diodo, mientras se desplaza el conmutador, activando a cada diodo uno tras otro. Llenar la tabla, con el registro de las lecturas de los voltímetros.

6.- REGISTRO DE LOS DATOS EXPERIMENTALES Informacion nominal del resistor Resistencia ohmios Potencia watts Informacion fundamental de los diodos Codigo I max (PD) Diodo D1 Diodo D2 Diodo D3

V max (PD)

Datos experimentales obtenidos (medicion directa) Voltimetro: Vy Voltimetro: Vx Vfuente Vd1 Vd2 (voltios) (mV) (mV)

I sat

V max (PI)

Vd3 (mV)

1 2 3 4 5 6 7

7.- PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION 7.1 Completar la siguiente información, utilizando la ley de Kirchhoff de voltajes y la ley de Ohm Resultados obtenidos para el diodo D1 (medicion indirecta) Vfuente Voltaje en el Vd1 I d1 (voltios) resistor Vr (V) (mV) (mA) 1 2 3 4 5 6 7

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Resultados obtenidos para el diodo D2 (medicion indirecta) Vfuente Voltaje en el Vd2 I d2 (voltios) resistor Vr (V) (mV) (mA) 1 2 3 4 5 6 7 Resultados obtenidos para el diodo D3 (medicion indirecta) Vfuente Voltaje en el Vd3 I d3 (voltios) resistor Vr (V) (mV) (mA) 1 2 3 4 5 6 7

7.2 A partir de las corrientes y voltajes de cada diodo, graficar la curva característica de cada diodo: La corriente en función del voltaje. Utilice bolígrafo color azul. 7.3 A partir de las corrientes y voltajes de cada diodo, obtener la ecuación empírica de Id = f(Vd) correspondiente. Deberá aplicar la linealización y el método de los cuadrados mínimos. 7.4 Utilice la ecuación empírica obtenida de cada diodo y calcule la corriente del diodo, para los mismos voltajes que se han medido con el voltímetro Vy; graficar sobre ls anteriores gráficas, utilice color rojo. 7.5 Determine la corriente de saturación inversa ‘Is’ y el coeficiente de emisión ‘n’, para cada diodo:

Parametros caracteristicos de cada diodo rectif. Corr. de Coeficiente saturacion inv. de emision Is n Diodo D1 Diodo D2 Diodo D3 8.- CUESTIONARIO 8.1 A partir de la ecuación característica obtenida, para cada diodo, obtener la expresión de la resistencia del diodo, para cada uno de los voltajes de diodo que se ha medido con el voltímetro Vy; Presentar estos resultados en una tabla para cada uno de los diodos. 8.2 Examine la resistencia obtenida en cada diodo y concluya sobre su comportamiento, si el diodo se puede considerar como elemento lineal o no; o en que condiciones se lo puede considerar como elemento lineal.

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8.3 Graficar la corriente del resistor, en función de su voltaje; tome en cuenta las mediciones obtenidas para el diodo D3; Luego determine la resistencia experimental del resistor. 8.4 Compare las gráficas I=f(v) del resistor y de cualquiera de los diodos y concluya si tienen el mismo comportamiento. ¡Cual es elemento lineal?, Cual es elemento no lineal? 8.5 Examine los datos y resultados experimentales, e indique cual es el caso en el que el resistor se encuentra trabajando con el mayor riesgo de quemarse. ¿Hay probabilidad de que se queme? ¿O no?, justifique su respuesta, calculando la potencia de trabajo del resistor, para el caso de mayor riesgo y compare con la potencia nominal del mismo. 8.6 Verifique mediante simulación computacional los datos experimentales obtenidos para los 3 diodos, o por lo menos para uno de ellos, implementando el circuito de la figura 3; puede utilizar el software que tenga disponible en su computadora, podrá ser el Pspice, el proteus, el multisim o el Matlab, entre otros.

ACLARACION: La obtención de las mediciones experimentales, van a ser obtenidas y explicadas, en cuanto a su procedimiento, en un video adjunto.

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