Practica 1-Circuito diodos semiconductores PDF

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circuito de diodos semiconductores primera simulacion en proteus....

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA FACULTAD DE LA ENÉRGIA LAS INDUSTRIAS Y LOS RECURSOS NATURALES NO RENOVABLES CARRERA DE TELECOMUNICACIONES

ELECTRONICA ANALOGICA Y DIGITAL

“PRACTICA 1”

TITULO: “DIODOS SEMICONDUCTORES” ALUMNOS:  JEFFERSON CABRERA  RENÉ CASTILLO  MARCO ORDOÑEZ FECHA: 12 de mayo de 2021

Loja – Ecuador 2021

1

1. TEMA: Diodos Semico Semiconductores nductores 2. OBJETIVOS • Conocer el funcionamiento del diodo semiconductor. • Enumerar las principales características de los diodos semiconductores. • Obtener la medición de los circuitos propuestos. • Comparar los resultados del circuito con valores ideales y reales. 3. MATERIALES Y REACTIVOS -

1 Resistencia de 1kΩ 1 Diodo1N4007 Datasheet 1N4007

4. -

EQUIPOS Y HERRAMIENTAS 1 Fuente de corriente continua 1 multímetro 1 Protoboard 1 computadora 2 Plugs 2 puntas de prueba para multímetro Conectores caimanes Cable para conexión en Protoboard Pinzas, alicates, corta cables, pela cables

5. ACTIVIDADES A DESARROLAR •

Diodo semiconductor

Realizar la conexión del circuito mostrado en la Fig. 1.1 a) Obtener los resultados matemáticos de voltaje diodo, voltaje en la resistencia y la corriente que circula por el circuito, primero con el diodo en polarización directa, según se muestra en la Fig. 1.1 b) Obtener los resultados matemáticos de voltaje diodo, voltaje en la resistencia y la corriente que circula por el circuito, ahora con el diodo en polarización inversa. c) Construir el circuito electrónico de la Fig. 1.1, utilice el software especializado de PROTEUS, colocando el diodo en polarización directa.

2

d) Simular y medir el voltaje de diodo, voltaje en la resistencia y la corriente del circuito con la utilización de un voltímetro en DC y un amperímetro DC integrados en el software. e) Construir el circuito electrónico de la Fig. 1.1, colocando el dido en polarizavion inversa. f) Simular y medir el voltaje del diodo, voltaje en la resistencia y la corriente del circuito con la utilización de un voltímetro DC y un amperímetro DC integrados en el software. g) Instalar el cable de poder de la fuente de corriente continua. h) Armar el circuito de la Fig. 1.1 en el Protoboard. i) Colocar las puntas de prueba en el multímetro y encenderlo. j) Colocar las puntas de prueba en paralelo con el diodo para obtener el voltaje del diodo. k) Colocar las puntas de prueba en paralelo con la resistencia de 1kΩ para obtener el voltaje de la resistencia. l) Colocar las puntas de prueba en serie respecto a los dispositivos y obtener la corriente que circula por el circuito. m) Registrar los resultados calculados, simulados y medidos en la Tabla 1.1 y Tabla 1.2. n) Calcular y registrar en la Tabla 1.1 y Tabla 1.2 el error relativo entre los resultados calculados y los resultados medidos utilizando las siguientes formulas. 𝜀=

|𝑥−𝑥0 | 𝑥0

∗ 100%

(1)

3

Donde: 𝜀 = error relativo 𝑥 = valor nominal 𝑥0 = valor calculado Tabla 1.1 circuito con diodo en polarización directa Calculados

Simulados

Voltaje de diodo en directa (𝑽𝒅 ) Voltaje en la resistencia (𝑽𝑹 ) Corriente(I)

Medidos

Error relativo

No aplica No aplica No aplica

Tabla 1.2 circuito con diodo en polarización inversa Calculados

Simulados

Voltaje de diodo (𝑽𝒅 ) Voltaje en la resistencia (𝑽𝑹 ) Corriente(I)

•

Medidos

Error relativo

No aplica No aplica No aplica

Obtén La curva característica del diodo.

a) Construir el circuito electrónico de la Fig. 1.2, utilize el software especializado dispuesto en el laboratorio, colocando el dido en polarización directa. b) Colocar el voltímetro en paralelo al diodo. c) Colocar el amperímetro en serio von el diodo y la resistencia. d) Alimentar el circuito con una fuente de voltaje DC. e) Asignar valores de voltaje hasta que el resultado del voltímetro colocado en paralelo. Con diodo muestre como resultado el valor requerido en la Tabla 1.3. f) Registrar el resultado de la corriente obtenida por el amperímetro en la Tabla 1.3.

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Vd(V)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

Id(mA)

1. Graficar la curva característica del diodo semiconductor utilizando un software capaz de realizar gráficos cono Excel o Matlab. •

Análisis por medio de la recta de carga 1. Obtener el voltaje y corriente del diodo utilizando la recta de carga del circuito de la Fig. 1.3. realizar el análisis para las condiciones de obtención de la resta de carga

2. Con la gráfica de la resta de carga, encontrar el punto Q y ubicar en el gráfico de la Fig. 1.4. podrían ampliar la escala de la gráfica para hallar el punto de operación.

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6. MARCO TEÓRICO • Diodos semiconductores El diodo semiconductor, con aplicaciones demasiado numerosas de mencionar, se crea uniendo un material tipo n a un material tipo p, nada más que eso; sólo la unión de un material con un portador mayoritario de electrones a uno con un portador mayoritario de huecos. La simplicidad básica de su construcción refuerza la importancia del desarrollo de esta área de estado sólido.

Fig. 6.1 Forma y simbología del Diodo Su constitución interna es una unión PN simple encapsulada, con dos electrodos que se unen a los terminales de conexión. En la siguiente figura aparecerá gráficamente con su símbolo representativo para los circuitos. (Fundación SanValero, pág. 20)

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Fig. 6.2. Representación de Diodo Los nombres que reciben los terminales son ánodo y cátodo. Como ya conocemos el funcionamiento de una unión PN, podemos intuir para qué va a servir el diodo y además resaltamos la importancia de diferenciar los terminales y la conexión del diodo. El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:

𝑞𝑉𝐷 𝐼 = 𝐼𝑆 ( 𝑛𝑘𝑇 − 1) 𝑒 Donde: - I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo · - VD es la diferencia de tensión entre sus extremos. · - IS es la corriente de saturación (aproximadamente 10 í 12A) · - q es la carga del electrón cuyo valor es 1.6 * 10 í 19 · - T es la temperatura absoluta de la unión · - k es la constante de Boltzmann · - n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio). · - El término VD = kT/q = T/11600 es la tensión debida a la temperatura, del orden de 26 mV a temperatura ambiente (300 K ó 27 ºC).

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• Aplicaciones del Diodo Los diodos tienen múltiples aplicaciones. La más evidente, y que se desprende directamente de nuestra discusión anterior, es la conversión de la corriente alterna en continua, proceso que se llama rectificación. Otras aplicaciones de interés son las células solares, que convierten la energía luminosa en energía eléctrica, y los diodos emisores de luz (LEDs) que se utilizan corrientemente en las pantallas de relojes digitales y calculadoras. (Aplicaciones de los diodos semiconductores, pág. 122) Las aplicaciones prácticas de los semiconductores son innumerables. Para hacer justicia al vasto y complejo campo científico y tecnológico inaugurado por los dispositivos de estado sólido sería necesario disponer de varios volúmenes de material escrito. -

Rectificador de media onda

-

Rectificador de onda completa

-

Rectificador en paralelo

-

Duplicador de tensión

-

Estabilizador Zener

-

Led

-

Limitador

-

Circuito fijador

-

Multiplicador de tensión

-

Divisor de tensión

• Curva característica del Diodo Sumergiendo un diodo en un circuito eléctrico, nos aparecen dos formas o resultados de polarización: inversa y directa, dependiendo de qué polos sean conectados a qué terminales. Con los mismos montajes que usamos para obtener las curvas características podemos probar el diodo. (Fundación SanValero, pág. 21)

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Fig. 6.3. Curva característica del Diodo Por encima de 0 Voltios, la corriente que circula es muy pequeña, hasta que no se alcanza la tensión de barrera (VON). El paso de conducción a corte no es instantáneo: a partir de VON la resistencia que ofrece el componente al paso de la corriente disminuye progresivamente, hasta quedar limitada sólo por las resistencias internas de las zonas P y N. La intensidad que circula por la unión aumenta rápidamente. En el caso de los diodos de silicio, VON se sitúa en torno a 0,7 V. Cuando se polariza con tensiones menores de 0 Voltios, la corriente es mucho menor que la que se obtiene para los mismos niveles de tensión que en directa, hasta llegar a la ruptura, en la que de nuevo aumenta. Como resumen de funcionamiento hay que decir que un diodo se asemeja a una válvula unidireccional, de tal manera que permite el paso de corriente cuando se encuentra directamente polarizado, quedándose con la tensión directa de polarización (siempre a tener en cuenta), y no permite el paso cuando se encuentra inversamente polarizado. En este caso, se comporta como un interruptor abierto. En circuitos de aplicación los diodos polarizados directamente deben tener una resistencia limitadora para su protección, pues una excesiva corriente directa también puede destruirlos.

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Fig.6.4. Diodo polarizado Directamente La polarización inversa no suele dar muchos problemas, teniendo o no resistencia limitadora. Si conectamos el diodo del ejercicio anterior de manera inversa, tenemos el siguiente circuito, su equivalente en la práctica. (Fundación SanValero, pág. 23)

Fig. 6.5. Diodo inversamente Polarizado y circuito equivalente. 7. SIMULACIONES • Diodo Polarización Directa

10

•

Diodo Polarización Inversa

•

Simulaciones con los valores especificados en la tabla 1.3

1

2

11

3

4

5

6

12

7

8

9

10

13

11 8. CALCULOS

POLARIZACION DIRECTA

POLARIZACION INVERSA

𝑉 = 𝑉𝐷 + 𝐼𝐷 × 𝑅

VOLTAJE DEL DIODO 𝑉 = 𝑉𝐷 + 𝐼𝐷 × 𝑅

𝑉𝑫 = 𝑉 − 𝐼𝐷 × 𝑅

𝑉𝑫 = 𝑉 − 𝐼𝐷 × 𝑅

𝑉𝑫 = 12 − (11,3𝑚𝐴)(1𝑘Ω)

𝑉𝑫 = 12 − (0𝑚𝐴)(1𝑘Ω)

𝑽𝑫 = 𝟎, 𝟕𝑽

𝑽𝑫 = 𝟏𝟐𝑽 VOLTAJE DE LA RESISTENCIA 𝑉 = 𝑉𝐷 × 𝑅

𝑉 = 𝑉𝐷 × 𝑅

𝑉 = (11,3𝑚𝐴)(1𝑘Ω)

𝑉 = (0𝑚𝐴)(1𝑘Ω)

𝑽 = 𝟏𝟏, 𝟑𝑽

𝑽 = 𝟎𝑽

14

CORRIENTE

𝑽 = 𝑉𝐷 + 𝐼𝐷 × 𝑅 𝐼𝐷 = 𝐼𝐷 =

𝑽 = 𝑉𝐷 + 𝐼𝐷 × 𝑅

𝑉 − 𝑉𝐷 𝑅

𝐼𝐷 =

12𝑉 − 0.7𝑉 1𝑘Ω

𝐼𝐷 =

𝑰𝑫 = 𝟏𝟏, 𝟑𝒎𝑨

𝑉 − 𝑉𝐷 𝑅

12𝑉 − 12𝑉 1𝑘Ω

𝑰𝑫 = 𝟎𝑨

9. RESULTADOS a. TABLAS Tabla 2.1 Circuito con diodo en polarización directa Calculados Voltaje de diodo en directa (𝑽𝒅 ) Voltaje en la resistencia (𝑽𝑹 ) Corriente(I)

Simulados

Medidos

Error relativo

0,7V

0,71V

No aplica

0,014

11.3V

11,3V

No aplica

0

11,3mA

0,01A

No aplica

0,11

Tabla 1.2 Circuito con diodo en polarización inversa Calculados Voltaje de diodo (𝑽𝒅 ) Voltaje en la resistencia (𝑽𝑹 ) Corriente(I)

Simulados

Medidos

Error relativo

12V

12V

No aplica

0

0

0

No aplica

0

0

0

No aplica

0

Tabla 1.3 Circuito con diodo en polarización directa. Vd(V)

0.1

Id(mA) 0

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

0

0

0

0,02

0,08

0,16

0,24

0,33

0,42

0,51

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b. GRAFICAS Fig. 9.1 Simulación en con el programa Excel de la curva característica del diodo. 1 VD(V) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

ID(mA) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 8 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,6 -0,7 -0,8 -0,9 -1 -1,1 -8

0 0,00001 0,0002 0,003 0,02 0,08 0,16 0,24 0,33 0,42 0,51

CURVA CARACTE RIS TICA DEL DI ODO 0,6

0,4

0,2

0

0 -0,00001 -0,0002 -0,003 -0,02 -0,08 -0,16 -0,24 -0,33 -0,42 -0,51

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

-0,2

-0,4

-0,6

10. ANÁLISIS POR MEDIO DE LA RECTA DE CARGA.

𝐼𝐷 =

𝐸 𝑅

𝑰𝑫 = 𝟎𝑨 𝑉𝐷 = 𝐸 𝑽𝑫 = 𝟎𝑽 9

𝐼𝐷 = 1 = 𝟗𝒎𝑨 𝑉𝐷 = 𝟗𝑽

16

8

10

Obtenemos los siguientes valores 𝐼𝐷𝑄 = 8,3𝑚𝐴 𝑉𝐷𝑄 = 0,7𝑉 11. DICUSIÓN Por sus características funcionales, los diodos semiconductores conducen la electricidad cuando la distribución de la polarización es directa. Es primordial analizar el comportamiento en la recta de carga, ya que al momento que se analiza se observará si esto es directamente proporcional. Por el contrario, si en el comportamiento de carga no es directo, es inversamente proporcional y la corriente será mínima, por lo cual no se obtendrán valores en el tercer cuadrante. 12. CONCLUSIONES -

Cuando hacemos el análisis del diodo en polarización inversa se mantiene el mismo voltaje de 12V.

-

Cuando se hace el análisis del diodo en polarización directa el voltaje en el resistor sigue siendo el mismo, pero la corriente tiene un error relativo de 0,1.

-

Analizando el circuito en la recta de carga obtenemos VD=VF=9V, mientras que VDQ=0,7V y la corriente del diodo ID=(VF/R)=9mA.

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13. RECOMENDACIONES -

Realizar un análisis minucioso a los pasos propuestos en la práctica para tener un correcto orden de los datos, dado que hay que evaluar varios ítems.

-

Conocer cuando el diodo tiene polarización directa o inversa.

-

Evaluar con los compañeros de trabajo la gráfica obtenida mediante la recta de carga ya que por medio de esta sabremos si tenemos corrientes mínimas o máximas.

14. PREGUNTAS DE CONTROL a. ¿Qué significa la palabra ideal aplicado a un dispositivo? Es aquel dispositivo que no genere inconvenientes y que nos permita una estimación de lo bien que un dispositivo puede permitir o consentir para obtener una buena apreciación del diseño. b. ¿Cómo se determina el estado de encendido y apagado en un diodo? El estado de encendido es como un circuito cerrado entre sus terminales, en directa cualquier nivel de voltaje produce una resistencia de 0 Ohm y conduce la corriente, mientras que, en el estado de apagado se comporta como un circuito abierto y cualquier voltaje provoca una resistencia muy alta y no pasa corriente c. ¿Por qué un diodo se asemeja a un interruptor? Porque el diodo al igual que el interruptor conducen la corriente en un solo sentido, abre y cierran circuitos. d. Describa el proceso de análisis por medio de la recta de carga. La recta de carga es un sistema para hallar la tensión y corriente del diodo, se establece una corriente en dirección en el sentido horario. Si la dirección de la corriente es la misma que del diodo revela que éste está encendido y que conducirá corriente. La polaridad de VD y la dirección de ID revelan con claridad que el diodo se encuentra en polarización en directa, lo que produce un voltaje a través del diodo de aproximadamente 0,7V. Las intersecciones de la recta de carga se determinan aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff en el sentido horario. Se obtiene una recta de carga definida por la curva de la red y otra de la curva de las características definidas por el dispositivo. El punto de intersección entre las dos es el punto de operación del circuito. Se traza una línea hasta el eje horizontal para que

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podamos determinar el voltaje del diodo, en tanto que una línea horizontal desde el punto de intersección hasta el eje vertical proporcionará el nivel de IDQ. La corriente ID es en realidad la que circula a través de toda la configuración en serie. e. ¿Qué lectura daría el polímetro si el diodo esta cortocircuitado? El voltaje es cero, si el diodo es ideal, en cambio sí es real, marcaria del voltaje Vk del diodo respectivamente. f. ¿Qué lectura daría el polímetro si el diodo este circuito abierto? El voltaje sería igual que el de la fuente, dado tiene una conexión física directa con el diodo. g. ¿Cómo probaría el diodo en un osciloscopio? Para probar el diodo en el osciloscopio, tenemos que colocar los conectores en los extremos del mismo, para luego observar la curva característica del diodo, lo cual nos indica que está en buen estado.

15. BIBLIOGRAFIA

Aplicaciones de los diodos semiconductores. (s.f.). Recuperado el 2021, de Aplicaciones de los diodos semiconductores: https://www.icmm.csic.es/fis/gente/josemaria_albella/electronica/5%20Aplica ciones%20diodos.pdf BOYLESTAD, R., NASHELSKY, L., & NAVARRO SALAS, R. (2009). Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos (10 ed.). Mexico D.F.: Pearson Education. doi:978-607-442-292-4 Fundación SanValero. (s.f.). Semiconductores. El Diodo. Recuperado el 2021, de Semiconductores. El Diodo: http://profesores.sanvalero.net/~arnadillo/Documentos/Apuntes/Analogica/U D6_Semiconductores.El%20diodo/UD6.%20Semiconductores%20El%20Diodo.p df

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