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PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BUCARAMANGA - UNAB CARACTERÍSTICAS DEL DIODO LED Y ZENER GUIA DE TRABAJO E INFORME DE LABORATORIO Nombre del Estudiante: Karla Gabriela Rangel Díaz ID: U00118396 Un cordial saludo. Bienvenido al laboratorio 2 de Electrónica Análoga. El objetivo de este laboratorio es que conozcan el comportamiento del diodo LED y el diodo Zener. SIMULADORES  

PROTEUS Simulador en línea: https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html.

Nota: Doy la opción del simulador en línea para los que no tienen instalado PROTEUS en sus computadores. TRABAJO PREVIO Identificación del ánodo y el cátodo de los diodos Consulte: ¿Cómo se hace para identificar el ánodo y el cátodo de un diodo led? ¿Físicamente el ánodo o el cátodo del diodo led se caracteriza por algo? Rta// La pata más larga es la positiva (A / ánodo), y la más corta es la negativa (K / cátodo). Si no podemos diferenciar la longitud de las patas, podemos fijarnos en la forma de la base del led. La parte curva es la positiva y la parte plana es la negativa El voltaje de barrera de un diodo LED Consulte en internet o en algún libro de electrónica el voltaje de barrera o tensión umbral y el semiconductor usado, de cada LED, de acuerdo a su color. Tabla 1. Voltaje Umbral Teórico de los Diodos.

COLOR

VOLTAJE UMBRAL TEÓRICO

Led Rojo

1.9 V

Led Verde

3V

MATERIAL CON QUE ESTÁ CONSTRUIDO Arseniuro de galio-aluminio (AlGaAs),Fosfuro de galio y arsénico (GaAsP),Fosfuro de aluminio-galioindio (AlGaInP),Fosfato de galio (GaP)

Verde clásico: Fosfato de galio (GaP) Fosfuro de aluminio-galio-indio (AlGaInP)

Fosfuro de galio-aluminio (AlGaP) Verde puro: Nitruro de galio-indio (InGaN) / Nitruro de galio (GaN) Led Amarillo

Led Azul

1.7 a 2 V

Fosfuro de galio y arsénico (GaAsP), Fosfuro de aluminio-galio-indio (AlGaInP), Fosfato de galio (GaP)

3.4 V

Seleniuro de zinc (ZnSe), Nitruro de galio-indio (InGaN), Carburo de silicio (SiC) como sustrato Silicio (Si) como sustrato (en desarrollo)

El Diodo Zener Consulte: ¿Qué diferencia hay entre un diodo rectificador y un diodo zener? Rta// El diodo puede conducir corriente solo en una dirección, mientras que el diodo zener permite la conducción en ambas direcciones. Un diodo normal se dañará permanentemente para una corriente inversa grande, pero un diodo zener no. ¿Qué es el efecto “Avalancha” que hace que un diodo zener conduzca corriente en inversa? Rta// Con la aplicación de un voltaje inverso suficiente, una unión p-n experimentará una rápida rotura de avalancha, y fluirá corriente en dirección inversa dentro del diodo. Los electrones de valencia que se liberan bajo la influencia del campo eléctrico aplicado, se pueden acelerar lo suficiente para que puedan golpear otros electrones sueltos, y las subsiguientes colisiones se convierten rápidamente en una avalancha. Cuando tiene lugar este proceso, cambios muy pequeños en el voltaje, pueden producir cambios muy grandes en la corriente. El proceso de rotura depende del campo eléctrico aplicado, de modo que cambiando el grosor de la capa donde se aplica el voltaje, se pueden formar diodos zener que trabajen desde alrededor de 4 voltios, hasta varios cientos de voltios. TRABAJO 1 EN CLASE Con una resistencia de 330 Ω haga la simulación del siguiente circuito con un LED, donde V es la fuente CD, y llene la siguiente tabla.

Figura 1. Diodo Led con Resistencia Limitadora de Corriente

Tabla 2. Característica voltaje – corriente – Polarización Directa – Diodo LED VAA (Volts) 0.00 0.50 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.5 3 4 5

VAK 0 0.5 1 1.19 1.39 1.59 1.78 1.97 2.18 2.20 2.21 2.22

Polarización Directa ID, mA 0 0 0.01 0.01 0.02 0.03 0.05 0.10 0.98 2.43 5.42 8.42

De acuerdo a los datos tomados, ¿Cuál considera usted que es el voltaje de barrera del led simulado, aproximadamente? Rta// El led a mi elección fue el LED-GREEN (Led Verde) y cambiando decimal a decimal el que considero es el voltaje de barrera de este es 2.5 V.

Figura 1.1 Simulación en Proteus Diodo Led con Resistencia Limitadora de Corriente

Muestre la tabla diligenciada al docente, y la respuesta a esta pregunta; junto con la simulación funcionando en alguno de los puntos de la tabla. TRABAJO 2 EN CLASE Diseño de la resistencia limitadora de corriente. Para el circuito de la figura 1, de forma teórica encuentre un valor de R si la fuente DC es de 5 Volts y la corriente de la malla esta entre 20mA y 40mA. Para los cálculos use el voltaje umbral calculado en el trabajo 2. Espacio para los cálculos teóricos:

Luego haga el montaje del circuito con una resistencia cercana a la calculada y Vdc=5V y tome las siguientes medidas: Vdc: 5V R: 180Ω, Vak: 2.24V, Id: 15.3mA

Muestre al docente los cálculos realizados y la simulación funcionando con las medidas tomadas. TRABAJO 3 EN CLASE Curva características voltaje – corriente del diodo Zener – Polarización Directa. Simule el siguiente circuito usando un diodo zener, donde V AA es una fuente DC los círculos corresponden a los instrumentos de medida de corriente y voltaje respectivamente. Si usa PROTEUS, puede buscar alguno de los siguientes tres diodos zener de diferentes voltajes zener. o o o

1N3020 (otra opción: cualquier diodo zener de 10V y 1W) 1N4733 (otra opción: cualquier diodo zener de 5.1V y 1W) 1N4735 (otra opción: cualquier diodo zener de 6.2V o 7.5 a 1W)

Si usa FALSTAD use el diodo zener que tiene por defecto. Figura 2. Diodo Zener en Polarización directa.

Mida el valor del voltaje V AK del diodo y de la corriente I de la malla, para diferentes valores de la fuente VAA. Consigne los resultados en la siguiente tabla. Tabla 3. Característica Voltaje, Corriente del diodo Zener en polarización directa. VAA Volts 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 2.0 5.0 10

VAK Volts 0 0.1 0.19 0.24 0.27 0.28 0.29 0.30 0.30 0.31 0.31 0.35 0.40 0.47

ID, mA 0 0 0.01 0.12 0.27 0.44 0.62 0.81 0.99 1.18 1.37 3.31 9.20 19.1

Muestre al docente la tabla diligenciada y la simulación funcionando con alguno de los valores de la tabla. Curva características voltaje – corriente del diodo Zener – Polarización Inversa. Con el mismo Diodo Zener seleccionado en las mediciones pasadas, simule la siguiente conexión, donde VAA es la fuente DC del banco de laboratorio, y los círculos corresponden a los multímetros midiendo corriente y voltaje respectivamente. Figura 3. Diodo Zener en Polarización Inversa.

Mida el valor del voltaje V AK del diodo y de la corriente I de la malla, para diferentes valores de la fuente VAA. Consigne los resultados en la siguiente tabla. Recuerde que en este caso, los voltajes y las corrientes del zener deben consignarse en la tabla con signo negativo. (Si la polaridad usada en los elementos de medida fue la misma usada que en las mediciones de polarización directa, los datos van a seguir dando positivos, pero en la tabla van es negativos. Si tiene dudas de esto llame al docente para mayor explicación). Tabla 4. Característica Voltaje, Corriente del diodo Zener en polarización inversa.

VAA Volts

VAK Volts

ID, mA

0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0

0 -1.0 -2.0 -3 -4 -4.94 -5.03 -5.05 -5.07 -5.09 -5.11 -5.12 -5.14 -5.15 -5.16 -5.17

0 0 0 0 0 -0.11 -1.95 -3.89 -5.85 -7.82 -9.79 -11.8 -13.7 -15.7 -17.7 -19.7

Muestre al docente la tabla diligenciada y la simulación funcionando con alguno de los valores de la tabla. TRABAJO 4 EN CLASE Determinación del voltaje Zener o de Ruptura en un Diodo Zener. Haga la simulación de la figura 3 (Diodo polarizado en inversa) usando otros dos diodos zener diferentes a los que usó en el trabajo 3 en clase. En PROTEUS puede cambiar el diodo zener por otra referencia de las mencionadas. En FALSTAD configure el zener con otros dos voltajes de ruptura diferente (Editar componente / Custom / Crear modelo simple y le cambia la tensión de ruptura).

Para cada diodo zener, conecte el multímetro para medir el voltaje V AK del zener, y comience a incrementar la fuente V AA comenzando desde cero. Al principio, a medida que incremente la fuente, el voltaje del zener será igual o muy parecido al voltaje de la fuente (Ya que la corriente es aproximadamente cero). Sin embargo, cuando el zener entre en ruptura, el voltaje medido en el zener se estabiliza a pesar que la fuente siga incrementándose. Ese voltaje en el que se estabiliza es el voltaje zener VZ. ¿Cuál es el voltaje zener experimental de cada diodo zener? Diodo Zener 1N4735 : 6.1V

Diodo Zener 1N4740 : 10.1V

Muestre al docente la simulación de ambos casos, con la fuente en un valor alto y donde se muestre el voltaje de ruptura de cada zener. TRABAJO 5 EN CLASE El diodo Zener como regulador de voltaje Arme el circuito de la figura 4 (siguiente figura), usando uno de los diodos zener. Ajuste la salida de la fuente de alimentación VAA a 0V.

Figura 4. El Diodo Zener como regulador de voltaje.

Diodo Zener 1N4735,Vz= 6.1V En este circuito, vamos a llamar la resistencia de 3.3 kΩ “La carga”. Se supone que se debe alimentar la carga con un voltaje DC fijo, que en este caso será el mismo voltaje zener Vz. En este circuito, así se suba mucho el voltaje VAA, el voltaje de la carga no superará el voltaje zener. Es decir, el zener está actuando como regulador de voltaje, al regular el voltaje a Vz así la fuente V AA se incremente. Sin embargo, la carga consume una corriente, que es igual a Vz/3.3 kΩ (Cuando el zener está regulando). Para que este regulador funcione, se debe garantizar que la fuente entregue tanto la corriente que consume la carga, como corriente para el zener (Que debe ser mayor a 1mA). Tenga cuenta que la corriente que pasa por la carga sumada a la corriente que pasa por el Zener, es la corriente que pasa por la resistencia de 500Ω. I.R500=I.zener+I.carga Para que el zener esté regulando, el voltaje de la fuente debe ser mayor al voltaje zener, para que este entre en ruptura. Primera prueba: Regulación del Zener con IZ=20mA Aumente poco a poco el voltaje de alimentación V AA hasta que la corriente IZ del diodo zener de una lectura de 20mA. Mida el voltaje de alimentación V AA y el voltaje VAB en la carga. Voltaje en la Carga: 6.28V Corriente en la carga: 1.90mA Calculo de corriente que entrega la fuente (I.R500): 21.9 mA ¿Si está regulando el zener y porque sabemos que está regulando? Rta// Sabemos que si está regulando porque aunque aumenté el voltaje de la fuente desde Vz=6.1V hasta 10-20V aproximandamente, el voltaje de la carga se estabilizó obviamente junto a el voltaje de el diodo (ya que estan en paralelo) y entre mas aumentaba el voltaje de la fuente solo se movian un poco los decimales de el voltaje de la carga.

Muestre al docente la simulación de esta primera prueba junto con los datos pedidos y la respuesta a la pregunta. Segunda prueba: Intervalos de fuente DC de voltaje regulado. En esta prueba vamos a mirar entre que valores, mínimo y máximo de la fuente DC, el zener está regulando. El voltaje mínimo de VAA es el voltaje en que comienza a pasar corriente por el zener (cuando conduce). El voltaje máximo de VAA vamos a tomarlo como el voltaje en el que el zener supera 200 mW de potencia, ya que con mayores potencias el diodo se puede quemar. Partiendo de VAA=0V, comience a incrementar VAA, y mida la corriente en el zener. Voltaje VAA cuando el zener tuvo 1mA. VAA min: 7.535 V Siga incrementando VAA, hasta que la potencia del diodo zener sea de 200 mW Voltaje VAA cuando el zener tuvo 200mW: VAA max: 23.05 V

Muestre al docente la simulación funcionando con el VAA max y donde se muestre la potencia del zener. Tercera prueba: Efecto de la impedancia de la carga. Si la carga cambia, por una carga con menos resistencia, es posible que la carga comience a consumir más corriente y hacer que la corriente no sea suficiente para la carga y para el zener. Recuerde que la corriente máxima que se puede repartir entre los dos (la carga y el zener) es la corriente que pasa por la resistencia de 500Ω. Esta corriente es aproximadamente Imax=(VAA-VZ)/(500). Fije el valor de la fuente V AA en 20 voltios. Modifique la resistencia de carga, colocando valores más bajos y determine la corriente mínima que debe circular por el diodo zener de forma que garantice el trabajo del diodo zener como regulador. (Cuando usted comience a colocar resistencias más pequeñas, si en algún momento el voltaje de la carga cambia, es porque el zener ya no está regulando). Tabla 5. Efecto de la impedancia de la carga. Rcarga 3300 3000 2700 2500 100 1000 330

Vcarga 6.31 6.31 6.31 6.31 3.33 6.31 6.20

Iz 1.91 mA 25.3 mA 25 mA 24.9 mA 0 24.5 mA 8.79 mA

Muestre al docente la tabla diligenciada y la simulación funcionando de uno de los puntos de la tabla, donde la resistencia sea tan pequeña que el zener ya no regule. TRABAJO 7 FUERA DE CLASE Dibujo de la curva del diodo LED Con base en las medidas tomadas en el diodo LED, trace la curva característica del diodo tomando tercera aproximación. Solo haga la curva de polarización directa. Anexe al informe el dibujo de la curva. Dibujo de las curvas de los diodos Zener

Con base en las medidas tomadas, trace las curvas características de los didos zener. Para el diodo zener del “trabajo 3 en clase” trace la curva real. Para los otros dos diodos trace las curvas en segunda aproximación. Para el primer diodo, puede ingresar los datos en Excel, Matlab y otro programa que realice la gráfica de forma automática, o puede hacerlo a mano en una hoja cuadriculada. Anexe a este informe en una hoja aparte con estas curvas.

TRABAJO 8 FUERA DE CLASE Calculo de la resistencia Rf y Rz del diodo zener. Usando los datos recolectados en el “trabajo 4 en clase”, calcule la resistencia estática directa V AB R F= I para cada punto de la tabla 3, y consigne los datos en la siguiente tabla. Tabla 6. Resistencia estática del diodo zener en directa. VAK Volts (Pasar los datos de la tabla3)

ID, mA (Pasar los datos de la tabla3)

Rf

Usando los datos recolectados en el “trabajo 4 en clase”, calcule la resistencia estática inversa R Z del V AB RZ = I , para cada punto de la tabla 4, y consigne los datos en la siguiente tabla. diodo, Tabla 7. Resistencia estática del diodo zener en inversa. VAK Volts (Pasar los datos de la tabla 4)

ID, mA (Pasar los datos de la tabla 4)

Rf

Con base en los resultados de las tablas 6 y 7, trace la gráfica de la resistencia del diodo en función del voltaje, tanto para la configuración de polarización inversa como la de polarización directa. Anexe a este informe en una hoja aparte con estas curvas. TRABAJO 9 FUERA DE CLASE Análisis de Errores. 1. Con base en las medidas tomadas en el “trabajo 2 en clase”, y suponiendo que el led simulado es ROJO, haga el análisis de errores del voltaje umbral del diodo led. 2. Con base en las medidas tomadas en el “trabajo 4 en clase”, haga el análisis de errores comparando los datos experimentales con los datos del diodo zener en tercera aproximación, con Rf=1Ω. Análisis del zener como regulador. Con base en las medidas tomadas en el “trabajo 6 en clase”, ¿De qué depende que un zener se comporte como regulador? ¿Qué efecto tendría cambiar la resistencia de 500Ω por otra resistencia mayor y por otra menor? TRABAJO 10 FUERA DE CLASE PREGUNTAS     

¿Qué parte de las características de un diodo Zener es las más útil de las aplicaciones de regulación de voltaje? ¿Por qué? ¿Cuál es la importancia de cada una de las gráficas realizadas? ¿Cómo se utiliza la gráfica de la curva del zener en el diseño de un regulador con diodo zener? Explique cómo funciona un circuito regulador. ¿El circuito regulador analizado en la práctica permite compensar los cambios en el voltaje de entrada, VAA, así como los de la corriente de carga, IL? Explique

Conclusiones 

Escriba las conclusiones más importantes que obtuvo del desarrollo de la práctica de laboratorio.

(Entregue la respuesta a las preguntas y las conclusiones en hojas aparte, como anexo a este informe de laboratorio)....