Practica 1 Curva Diodo - practias PDF

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Universidad Autónoma deNuevo LeónFacultad de IngenieríaMecánica y EléctricaLaboratorio Electrónica IPractica 1Profesor: Samarch Ulianov Enriquez SiasBrigada: 405 Hora: VMatricula Nombre (Apellidos / Nombre) Carrera 1897337 Jasso Maciel Melissa Alejandra IMTCDía 21 del mes de mayo del año 2021Práctic...

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Laboratorio de electrónica analógica 1

Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Laboratorio Electrónica I

Practica 1 Profesor: Samarch Ulianov Enriquez Sias

Brigada: 405 Hora: V2

Matricula 1897337

Nombre (Apellidos / Nombre) Jasso Maciel Melissa Alejandra

Día 21 del mes de mayo del año 2021

Práctica 1

Carrera IMTC

Laboratorio de electrónica analógica 1 Curva Característica de un diodo de silicio (Si)

Objetivo. Obtener la curva de respuesta de un diodo de silicio a través de un circuito formado por una resistencia y un diodo, medir las caídas de voltaje y flujo de corriente. Hacer uso adecuado del multímetro (Como voltímetro y amperímetro). Usar escalas adecuadas para cada momento de medición. Usar una prueba de diodo fuera del circuito con el multímetro. Usar hoja de especificaciones del fabricante del componente.

Lista de Material Tablilla de experimentos (Protoboard) 1 1 Resistencia de 1K (La potencia de la resistencia, la elegirás calculando la potencia demandada por la carga ) 1 Diodo 1N4148 (Busca la página web del fabricante y descargar hoja de especificaciones del diodo)

Equipo (Proporcionado en el Laboratorio) multímetro 1 1 Fuente de voltaje variable de 0 a 10 volts.

Teoría preliminar Uso de curvas Por lo general una forma de interpretar el comportamiento de un componente, circtuito o sistema electrónico, hacemos uso de la gráfica de los parámetros de interés, por ejemplo si tenemos un circuito amplificador los parámetros de interés serían el voltaje de salida vs el voltaje de entrada y así compararlos y observar los cambios inducidos por el paso a través del cicruito diseñado, si vamos a trabajar con sistemas electrónicos de frecuencia en un intervalo (comunicaciones electrónicas), los parámetros de interés cambian a ganancia vs frecuencia, en cambio si trabajamos con sistemas electrónicos de potencia, el interés cambia a la capacidad del dispositivo de manejar potencias elevadas y su tiempo de respuesta. En el caso del análisis de componentes electrónicos, en esta ocasión el diodo, el cual sabemos que tiene un comportamiento no lineal, es de interés observar el comportamiento de los parámetros de voltaje y corriente en sus terminales, con la finalidad de modelar matemáticamente el comportamiento de este. La obtención de estas curvas de forma práctica se realiza sometiendo al componente a un voltaje que varía de forma constante en el tiempo y midiendo la corriente correspondiente a cada valor. En esta práctica obtendremos los valores de la forma más básica utilizando únicamente una fuente de voltaje variable y un multímetro operando como voltímetro y amperímetro. Si utilizamos una variedad de instrumentos podemos obtener más información del comportamiento del componente sometido a diferentes situaciones de voltaje, corriente, temperatura, etc.

Laboratorio de electrónica analógica 1 Por medio de la ayuda de la física de estado sólido la característica general de un diodo semiconductor se puede definir mediante la ecuación de Shockley (Ecuación 1) , para las regiones de polarización en directa y en inversa [ CITATION BOY09 \l 2058 ]

(

I D =I S e

VD x nV T

)

−1 ( Amperes )

Ecuación 1

Dónde: I D Corriente del diodo IS Corriente de saturación en inversa VD Voltaje de polarización en directa aplicado a través del diodo n 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.

El voltaje térmico VT está dado por:

VT=

kT (Volts) q

Ecuación 2

Donde: k es la constante de Boltzmann 1.38*10-23 J/K T es la temperatura absoluta en Kelvin = 273+ la temperatura en °C q es la magnitud de la carga del electrón 1.6*10-19 Coulomb La temperatura que normalmente se considera para un sistema electrónico operando en un lugar cerrado es de 27°C.

Figura 1 Curva obtenida utilizando la Ecuación 1 de Shockley y, Ecuación 2en MATLAB® [ CITATION Att99 \l 2058 ]

Hoja de especificaciones (Data Sheet) El fabricante proporciona datos sobre dispositivos semiconductores específicos. Dan una descripción breve en una página o proporcionan un examen completo de las características mediante gráficas, material gráfico, tablas, etc. Son datos específicos que deben incluirse para el uso apropiado del dispositivo. En la Figura 2 podemos observar la tabla con los datos proporcionado para el diodo 1N4148 donde dos de los principales parámetros son la corriente máxima en operación directa y el voltaje máximo en operación inversa. En Figura 3, se observa algunas de las curvas características del diodo proporcionada por el fabricante Fairchild. Puedes descargar el archivo de la hoja de especificaciones completa en la liga: http://semty.mx/index.php?controller=attachment&id_attachment=553 proporcionada en el sitio del

Laboratorio de electrónica analógica 1 distribuidor local Semty y podrás tener acceso a toda la información proporcionada por el fabricante FairchildTM para el diodo 1N4148.

Figura 2 Tabla con datos proporcionados por el fabricante Fairchild para el diodo 1N4148 obtenida de la página del distribuidor SEMTY.

Figura 3 Curvas de las características típicas de desempeño de un diodo 1N4148, obtenida de: http://semty.mx/index.php?controller=attachment&id_attachment=553

El circuito (Figura 5) consta de una resistencia en serie con un diodo, es la configuración más simple para caracterizar al diodo, la fuente a utilizar es una fuente de voltaje variable entre 0 y 10 volts. Al variar la fuente de voltaje cambiará la corriente y el voltaje a través del diodo, tomar dichos valores para graficar la curva real del diodo, que será aproximadamente igual a la que observamos en libros de texto (Figura 1) obtenida utilizando la Ecuación 1,[ CITATION BOY09 \l 2058 ] y [ CITATION Att99 \l 2058 ], es lo que esperamos obtener graficando los datos obtenidos en esta práctica.

Procedimiento:

Laboratorio de electrónica analógica 1 En esta ocasión solo obtendremos los valores de voltaje y corriente para la operación del diodo polarizado en directa, por lo que debemos: Probar el de diodo, la condición de un diodo semiconductor puede determinarse de forma rápida utilizando 1) un multímetro con la función de prueba de diodo; 2) la sección de óhmetro de un multímetro, o 3) un trazador de curvas. Con el diodo fuera del circuito, el procedimiento es el siguiente: 1.- Coloque el interruptor rotatorio en el rango de 2.- Presione el botón para activar el modo de Prueba de Diodo. 3.- Conecte las puntas negras y roja a las terminales COM y VΩ, respectivamente. 4.- Para lecturas de corriente en cualquier semiconductor, coloque la punta roja en el ánodo del componente, posteriormente coloque la punta negra en el cátodo del mismo componente. 5.- El multímetro mostrará el voltaje aproximado del diodo. En un circuito, un buen diodo debe producir un voltaje de entre 0,5V a 0,8V Si el probador de diodos funciona con una fuente de corriente constante interna de mas o menos 2 mA, esta define el voltaje de operación como se indica en la Figura 4.

(a)

(b)

Figura 4 (a)Verificación de la condición de un diodo de silicio en estado de polarización en directa. (b) Punto de operación del diodo a 2 mA, el voltaje en terminales del diodo debe andar alrededor de 0.6 y 0.7 V

Si en la pantalla del multímetro aparece “OL”, con la conexión que aparece en la Figura 4(a), esto nos indica que el diodo se encuentra abierto, por lo que se considera defectuoso. Si se invierten las puntas en las terminales del diodo, aparecerá en la pantalla del multímetro “OL”, que indica que el diodo está abierto. Si aparece un numero esto indica que el diodo se encuentra en corto circuito. Implementar el circuito de la práctica en la tablilla de experimentos basándose en el diagrama de circuito de la Figura 5. Esto lo debes realizar antes de la sesión del laboratorio, para aprovechar al máximo el tiempo de uso de los instrumentos disponibles. Si tienes alguna duda puedes buscarme en el laboratorio en el horario que tengo asignado.

Laboratorio de electrónica analógica 1 Figura 5 Diagrama del circuito (Diodo polarizado en directa a través de una resistencia)

Colocar el multímetro en la opción medir voltajes de CD, revisar el manual de operación, colocar las puntas de medición como se muestra en la Figura 6(a) y llenar la columna de voltaje en el diodo (VD) de la Tabla 1 Valores de Voltaje y Corriente en el Diodo. (No olvides incluir las unidades en los valores medidos.).

(a)

(b)

Figura 6 Conexiones para medir voltaje (a) y corriente (b).

Colocar el multímetro como amperímetro de CD, , revisar el manual de operación, colocar las puntas de medición como se muestra en la Figura 6(b) y llenar la columna de corriente en el diodo (ID) de la Tabla 1 Valores de Voltaje y Corriente en el Diodo. (No olvides incluir las unidades en los valores medidos.).

Figura 7 Configuración para medición simultánea de voltaje y corriente en el diodo.

En la Figura 7 se muestra la configuración del circuito para medir el voltaje y corriente de forma simultánea con la ayuda de dos multímetros o 1 Amperímetro y 1 Voltímetro.

Laboratorio de electrónica analógica 1 Llenar la tabla con los valores de voltaje y corriente obtenidos de las mediciones de voltaje y corriente en el diodo al estar ajustando el voltaje de la fuente de acuerdo con los valores que aparecen en la tabla 1. Ley de Ohm ID Voltaje en la fuente VD (En caso de que no miliamperio Volts +V (Volts) funcione el Amperímetro) 0v 0V 0A 0.2 V

200mV

427.436pA

0.4 V

399.489mV

510.841nA

0.5 V

486.703mV

14.297uA

0.6 V

527.712mV

72.288uA

0.7 V

547.2mV

152.8uA

0.8 V

559.119mV

240.886uA

0.9 V

567.59mV

332.41uA

1V

574.147mV

425.853uA

1.1

579.49mV

520.51uA

1.2 V

583.999mV

616.001uA

1.3 V

587.902mV

712.098uA

1.4 V

591.346mV

808.654uA

1.5 V

594.428mV

905.572uA

1.6 V

597.221mV

1.003mA

2V

606.36mV

1.394mA

4V

632.338mV

3.368mA

6V

647.498mV

5.353mA

8V

658.851mV

7.341mA

10 V

668.241mV

9.332mA

Tabla 1 Valores de Voltaje y Corriente en el Diodo. (No olvides incluir las unidades en los valores medidos.)

Registro del equipo utilizado en la práctica. Equipo utilizado

Fabricante-Modelo

No. de serie

Multímetro Digital

Se utilizo multisim para la simulación.

Se utilizo multisim para la simulación.

Osciloscopio

Se utilizo multisim para la simulación.

Generador de funciones

Se utilizo multisim para la simulación.

Fuente de voltaje

Se utilizo multisim para la simulación.

OTRO (Especifica):

Se utilizo multisim para la simulación.

Se utilizo multisim para la simulación. Se utilizo multisim para la simulación. Se utilizo multisim para la simulación. Se utilizo multisim para la simulación.

Tabla 2 Datos del equipo utilizado en las mediciones de la práctica.

Laboratorio de electrónica analógica 1 Nota: Es importante registrar y reportar la información del equipo utilizado, al momento de realizar reportes, artículos, etc. Con los datos obtenidos de ellos.

Reporte: Uso de equipo. 1. Anota el procedimiento para realizar una prueba de diodos con el multímetro. Para realizar una prueba de diodos en el multímetro es necesario poner la perilla del multímetro en el símbolo de prueba de diodos “ ”, después conectamos las puntas del multímetro en las terminales COM(punta negra) y VΩ(punta roja), por otra parte con la punta de color rojo la conectamos del lado positivo del diodo y la negra del lado negativo del diodo (el lado negativo del diodo es donde esta la franja de color gris), ya por ultimo medimos el rango del voltaje del diodo de 0.5v a 0.8v para saber si el diodo está en funcionamiento. 2. En caso de que el multímetro no contará con la prueba de diodo, ¿Cómo realizarías la prueba con dicho multímetro? (Describe el procedimiento). Si nuestro multímetro no cuenta con la selección de prueba de diodo podemos hacer lo siguiente: Primero es girar el selector al modo Resistencia (Ω), el cual puede que comparta un espacio en el selector con alguna otra función. Después conectamos los cables de prueba al diodo posteriormente a la retirada del circuito y tomar nota de los datos obtenidos. Invertir los cables de prueba y anotar la medición que se muestra. Para obtener los mejores resultados cuando se usa el modo Resistencia para probar diodos, aconsejamos comparar las lecturas con las de un diodo de excelente estado ya comprobado. Nota: La resistencia del polarizado en directo de un diodo bueno debe oscilar entre 1000 Ω y 10 MΩ. 3. Anota el procedimiento a seguir para la medición de voltaje en el multímetro. Para medir el voltaje de un diodo:  Primero es necesario colocar el multímetro en CD.  Después es necesario conectar las puntas del multímetro en las terminales COM (punta negra) y VΩ (punta roja)  Energizamos el circuito y con la punta de color rojo la conectamos del lado positivo del diodo y la negra del lado negativo del diodo (el lado negativo del diodo es donde está la franja de color gris)  Ya conectados visualizamos las lecturas obtenidas. 4. Anota el procedimiento a seguir para la medición de corriente en el multímetro.

Laboratorio de electrónica analógica 1 

Primero es necesario abrir el circuito entre los puntos de la resistencia y la parte positiva del diodo. (sin energizar el circuito).  Después es necesario colocar el multímetro en función de amperímetro de CD.  Ya puesto la función de amperímetro conectamos las puntas del multímetro en las terminales COM (punta negra) y VΩ (punta roja).  La punta de color rojo la conectamos de un lado de la resistencia y la punta de color negro la conectamos del lado negativo del diodo haciendo que el circuito quede cerrado.  Energizamos el circuito y tomamos la medición. 5. Anota los rangos de medición de voltaje CD para el multímetro utilizado. R= De 0v a 669mV 6. Anota los rangos de medición de corriente CD para el multímetro utilizado. R= De 0A a 9.332mA. 7. ¿Qué escala(s) fueron utilizada(s) para la medición de voltaje? R= De 0V a 1000mV 8. ¿Qué escala(s) fueron utilizada(s) para la medición de corriente? R= De 0A a 10mA. 9. ¿Consideras que el multímetro es el adecuado para realizar las mediciones?, justifica tu respuesta. Yo pienso que utilizar un multímetro para realizar dichas pruebas es mas factible y más preciso que utilizar un voltímetro y un amperímetro, debido a que es más fácil de manejar y no ocupas muchos equipos de medición. Uso de los datos obtenidos Graficar ( ) los datos obtenidos en la medición de la corriente contra el voltaje del diodo que obtuviste en la Tabla 1 utiliza MATLAB ® ya que es un software con un gran poder de procesamiento y con las herramientas necesarias para realizar un ajuste exponencial simple. Consulta: Karris, S. T. (2005). Electronic Devices and Amplifier Circuits with MATLAB®Applications. Orchard Publications.

Laboratorio de electrónica analógica 1

Figura 8 Script en MATLAB® para graficar la ecuación de Shockley y obtener la curva del diodo con valores teóricos. El código para graficar la curva del diodo lo puedes descargar dando un clic aquí. Con este puedes obtener la curva de comportamiento del diodo polarizado en directa de la ecuación de Shockley. Primero graficarás la Ecuación 1, posteriormente agregarás la gráfica de los datos obtenidos en el laboratorio. Puedes observar el vídeo “curva del diodo en MATLAB”, muy probablemente obtendrás una gráfica como la Figura 9

Figura 9 Gráfica de los datos obtenidos en la medición de voltaje y corriente en el laboratorio vs la curva obtenida con la ecuación de Shockley, en el círculo se puede observar la discontinuidad en los datos obtenidos.

Laboratorio de electrónica analógica 1 Figura 10 Gráfica que muestra a la curva obtenida con la ecuación de Shockley, la curva de los datos medidos y la curva resultado del ajuste exponencial simple.

V d

Para Graficar el voltaje y la corriente en el diodo también puedes usar EXCEL® y OCTAVE ®, investiga como hacer el ajuste exponencial simple en el software que elijas para graficar.

I d

Anota la escala por división utilizada en cada eje.

Laboratorio de electrónica analógica 1

Laboratorio de electrónica analógica 1 Imagen 1 Curva característica del diodo, obtenida midiendo voltaje y corriente con el multímetro.

10. ¿Qué función tiene la resistencia en un circuito con Diodos? R= Para reducir la cantidad de corriente eléctrica que circula por el circuito y evitar que se deteriore o queme el diodo. 11. ¿Cuál es la corriente máxima de operación, del diodo que utilizaste? R= 9.332mA. 12. ¿Anota de dónde obtuviste el valor? R= Midiendo el circuito con el multímetro. 13. ¿Cuál es el voltaje pico inverso máximo del diodo que utilizaste? R=668.241mV. 14. ¿De dónde obtuviste el dato? R= Midiendo el circuito con el multímetro. 15. Si el diodo lo fueras utilizar para crear un rectificador de onda completa, ¿funcionaría?, ¿Por qué? No, debido a que la le falta amplitud para crear una onda completa por ende necesitarías más diodos para rectificarla.

Laboratorio de electrónica analógica 1 16. Investigar el voltaje de operación de los diodos de acuerdo con el material de fabricación y de los LEDs de acuerdo con su color y llena la siguiente tabla: Material Color Si N/A

Voltaje de Operación 0.6V a 1V

Ge

N/A

GaAs

N/A

0.3V 1V 3V-3.8V

Led

Azul

Led

Rojo

Led Led

Verde Blanco

3V-3.8V 3V-3.8V

Led

Ámbar

1.6V a 2.1V

Led

Naranja

1.6V a 2.1V

Led

Amarillo

1.6V a 2.1V

1.6V a 2.1V

Nota: También debes anotar el material para cada color de los leds en la primera columna. Tabla 3 Valores de los voltajes de operación de acuerdo con el material del diodo y del color del LED.

Laboratorio de electrónica analógica 1 RECURSOS DE APOYO para la práctica 1 Attia, J. O. (1999). Electronics and circuit analysis using MATLAB. CRC Press. Boylestad, R. L. (2009). Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. México: PEARSON EDUCACIÓN. Nashelsky, R. L. (1996). Laboratory Manual Electronic Devices and Circuit Theory. New Jersey: Prentice Hall. Karris, S. T. (2005). Electronic Devices and Amplifier Circuits with MATLAB®Applications. Orchard Publications. John W. Eaton, David Bateman, Søren Hauberg, Rik Wehbring (2016).GNU Octave version 4.2.0 manual: a high-level interactive language for numerical computations. URL http://www.gnu.org/software/octave/doc/interpreter/ Observar los siguientes videos: ((España), 2017), La Unión PN. ¿Cómo funcionan los diodos? (Versión en castellano), https://www.youtube.com/watch?v=hsJGw_c-Nn4 ((España), EL LED ...