Practica No.8 Aplicaciones del diodo semiconductor PDF

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Practica de laboratorio de Ing. Eléctrica Y Electrónica, de ESIQIE con el profesor Sergio Alvarado Alvarado, con simulador Live Wire (sesiones en linea)...

Description

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

Laboratorio de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Practica No. 8 Aplicaciones del diodo semiconductor.

Profesor: Sergio Alvarado Alvarado Alumna: Torres Bravo Susana No. Boleta: 2020320486

Grupo: 2IV34

Objetivos. Analizar y comprobar el funcionamiento de los rectificadores de media onda y onda completa, como aplicaciones del diodo rectificador.

Materiales. Computadora y Simulador LiveWire.

Introducción teórica. ¿Qué es un diodo semiconductor? El diodo semiconductor es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio. Viendo el símbolo del diodo en el gráfico se observan: A – ánodo, K – cátodo.

Los diodos constan de dos partes, una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura llamada barrera o unión. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el diodo de germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio. Principio de operación de un diodo El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones). Cuando una tensión positiva se aplica al lado P y una negativa al lado N, los electrones en el lado N son empujados al lado P y los electrones fluyen a través del material P más allá de los límites del semiconductor. De igual manera los huecos en el material P son empujados con una tensión negativa al lado del material N y los huecos fluyen a través del material N. En el caso opuesto, cuando una tensión positiva se aplica al lado N y una negativa al lado P, los electrones en el lado N son empujados al lado N y los huecos del lado P son empujados al lado P. En este caso los electrones en el semiconductor no se mueven y en consecuencia no hay corriente. El diodo se puede hacer trabajar de 2 maneras diferentes: Polarización directa

Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del diodo), o sea del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito.

Polarización inversa Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o sea del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto.

Nota: El funcionamiento antes mencionado se refiere al diodo ideal, esto quiere decir que el diodo se toma como un elemento perfecto (como se hace en casi todos los casos), tanto en polarización directa como en polarización inversa. Aplicaciones del diodo Los diodos tienen muchas aplicaciones, pero una de la más comunes es el proceso de conversión de corriente alterna (C.A.) a corriente continua (C.C.). En este caso se utiliza el diodo como rectificador. Si se aplica a este diodo una tensión alterna, únicamente se producirá circulación de corriente en las ocasiones en que el ánodo sea más positivo que el cátodo, es decir, en las alternancias positivas, quedando bloqueado en las ascendencias negativas, lo que impide el paso de la corriente por ser en estas ocasiones el ánodo más negativo que el cátodo. La corriente resultante será «pulsante», ya que sólo circulará en determinados momentos, pero mediante los dispositivos y circuitos adecuados situados a continuación puede ser convertida en una corriente continua constante, que es el que se emplea actualmente casi en exclusiva; presenta sobre el de vacío algunas ventajas fundamentales: Es de tamaño mucho más reducido, lo que contribuye a la miniaturización de los circuitos.

- La cantidad de calor generado durante el funcionamiento es menor, ya que no necesita ningún calentamiento de filamento. - Funciona con tensiones mucho más bajas, lo que posibilita su empleo en circuitos alimentados a pilas o baterías.

- Pueden ser utilizados en equipos que manejen grandes corrientes, aplicación que con diodos de vacío resultaba prohibitiva en ocasiones por el gran tamaño de éstos. Existen diodos semiconductores de muy pequeño tamaño para aplicaciones que no requieran conducciones de corrientes altas, tales como la demodulación en receptores de radio. Estos suelen estar encapsulados. en una caja cilíndrica de vidrio con los terminales en los extremos, aunque también se utiliza para ellos el encapsulado con plástico. Clasificación Dentro del amplio conjunto de modelos y tipos diferentes de diodos semiconductores que actualmente existe en el mercado, se puede realizar una clasificación de forma que queden agrupados dos en varias familias, teniendo en cuenta aquellas características más destacadas y que, de hecho, son las que determinan sus aplicaciones. De esta forma se pueden encontrar las siguientes: - Diodos rectificadores de toda la gama de potencias, con encapsulado individual o en puente. - Diodos de señal de use general. - Diodos de conmutación. - Diodos de alta frecuencia. - Diodos estabilizadores de tensión. - Diodos especiales. Diodos rectificadores El encapsulado de estos diodos depende de la potencia que hayan de disipar. Para los de baja y media potencia se emplea el plástico hasta un límite de alrededor de 1 vatio. Por encima de este valor se hace necesario un encapsulado metálico y en potencias más altos deberá estar la cápsula preparada para que pueda ser instalado el diodo sobre un radiador de color, por medio de un sistema de sujeción a tornillo. Cualquier sistema rectificador de corrientes, tanto monofásicas como trifásicas o polifásicas, se realiza empleando varios diodos según una forma de conexión denominada en puente. No obstante, también se utiliza otro sistema con dos diodos, como alternativa del puente en algunos circuitos de alimentación monofásicos.

Debido al gran consumo a nivel mundial de diodos que más tarde son empleados en montajes puente, los fabricantes decidieron, en un determinado momento, realizar ellos mismos esta disposición, uniendo en fábrica los cuatro diodos y cubriéndolos con un encapsulado común. Esto dio lugar a la aparición de diversos modelos de puentes de diodos con diferentes intensidades máximas de corriente y, por lo tanto, con disipaciones de potencia más o menos elevadas, en la misma forma que los diodos simples. En los tipos de mayor disipación, la cápsula del puente es metálica y está preparada para ser montada sobre un radiador. Características Cualquier diodo rectificador está caracterizado por los siguientes factores: - Corriente directa máxima (If). - Tensión directa (Vd), para una corriente If determinada. - Tensión inversa máxima de pico de trabajo (VRWM). - Tensión inversa máxima de pico repetitiva (VRRM). Corriente máxima de pico (Ifsm). - Corriente inversa máxima de pico (IRM), medida a VRRM. - Potencia total (P/tot). Estas características deberán ser tenidas en cuenta en el momento de la elección del modelo más adecuado para cada aplicación, procurando no ajustarse demasiado a los valores límites, ya que ello acortaría excesivamente la duración del componente. Diodos de señal Los diodos de señal de use general se emplean en funciones de tratamiento de la señal, dentro de un circuito o bien para realizar operaciones de tipo digital formando parte de «puertas» lógicas y circuitos equivalentes, Son de baja potencia. Las características de estos diodos son: - Tensión inversa (Vr), hasta 75 V como máximo. - Corriente directa (If), 100 mA. - Potencia máxima (P/tot), 200 milivatios (mW) El encapsulado es en forma de un cilindro miniatura, de plástico o vidrio, estando los dos terminales de conexión situados en los extremos. Sobre el cuerpo deberá estar marcado el hilo de conexión que corresponde al cátodo, mediante un anillo situado en las proximidades de éste. Diodos de conmutación Los diodos de conmutación o rápidos se caracterizan por ser capaces de trabajar con señales de tipo digital o que presenten unos tiempos de subida y bajada de sus flancos muy breves. El factor o parámetro que caracteriza a estos diodos es el tiempo de recuperación inverso (TRR) que expresa el tiempo que tarda la unión P-N en desalojar la carga eléctrica que acumula, cuando se encuentra polarizada inversamente (efecto similar a la acumulación de carga de un condensador), y recibe súbitamente un cambio de tensión que la polariza en sentido directo. Pueden ser considerados rápidos aquellos diodos con un TRR inferior a 400 nanosegundos, en modelos de media potencia, para los de baja potencia este tipo es del orden de los 5 nanosegundos.

Diodos de alta frecuencia Los diodos de alta frecuencia se emplean en aquellas partes de un circuito que deben de funcionar con frecuencias superiores a 1 megahertz (1 millón de ciclos por segundo). Se caracterizan por presentar una baja capacidad de difusión (Cd) entre las dos zonas semiconductoras que forman la unión P-N, cuando éstas están polarizadas en sentido directo. Diodos zener Los diodos estabilizadores de tensión se emplean, como su nombre indica, para producir una tensión entre sus extremos constante y relativamente independiente de la corriente que los atraviesa. Aprovechan, para su funcionamiento, una propiedad muy interesante que presenta la unión semiconductora cuando se polariza inversamente por encima de un determinado nivel.

Normalmente un diodo que recibe una polarización inversa no permite el paso de la corriente o lo hace dejando pasar una intensidad debilísima. Sin embargo, al alcanzar una determinada tensión, denominada tensión zener se produce un aumento de la cantidad de corriente, de forma tal que esta diferencia de potencial entre sus extremos se mantiene prácticamente constante, aunque se intente aumentar o disminuir a base de variar la intensidad que lo atraviesa. Existe una amplia gama de tipos clasificados por una serie de tensiones zener normalizadas y por la potencia que son capaces de disipar, desde 250 mili vatios hasta decenas de vatios, con encapsulado plástico o metálico. Los parámetros que caracterizan a un diodo zener son: - Tensión zener (Vz). - Corriente minima para alcanzar la Vz (Iz). - Potencia máxima (P/tot). Diodos especiales Dentro del grupo de diodos especiales están comprendidos los diodos varicap, diodos túnel y diodos Led Los primeros se construyen buscando acentuar al máximo la propiedad que presente la unión P-N de comportarse de una forma análoga a un condensador, cuando se la polariza inversamente. La capacidad resultante es, además, variable con la tensión aplicada; lo cual permite disponer de una forma muy simple de condensadores variables, controlados por una diferencia de potencial. Su empleo está muy generalizado en etapas de sintonía de receptores de radio y TV.

Desarrollo Experimental. EXPERIENCIA 1. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA: 1) Tomando como referencia el Manual de Prácticas y utilizando el Simulador, armamos el circuito mostrado a continuación, donde el voltaje de 15V está dado en valores RMS.

2) Conectamos el osciloscopio del simulador para visualizar la señal a la entrada del diodo y la de salida, misma que se obtendrá en las terminales de la resistencia:

Experimentación No.1

3) Para cada señal obtenida medimos las siguientes magnitudes: Salida

Entrada Vp =

𝑉𝑟𝑚𝑠

0.7071

=

15 𝑉

0.7071

= 21.21 𝑉

𝑉𝑟𝑚𝑠

Vp = 0.7071 =

15 𝑉

0.7071

= 21.21 𝑉

Vp = 21 V

Vp = 20 V

Vpp = 42 V

Vpp = 20 V

VRMS =

1 √2

∗ 𝑉𝑚𝑎𝑥

VRMS =

1 √2

∗ 𝑉𝑚𝑎𝑥

VRMS = (0.7071) (21 V) = 14.85 V

VRMS = (0.7071) (20 V) = 14.14 V

1𝑠 𝑇 = 17 𝐷𝑖𝑣 ∗ 1 𝑚𝑠 = 17 𝑚𝑠 |1000𝑚𝑠 | = 0.027𝑠

1𝑠 𝑇 = 17 𝐷𝑖𝑣 ∗ 1 𝑚𝑠 = 17 𝑚𝑠 |1000𝑚𝑠 | = 0.017 𝑠

1

𝑓 =𝑇 =

1

0.027𝑠

= 58.82 Hz

1

𝑓=𝑇=

1

0.017 𝑠

= 58.82 Hz

Vp Vpp Vrms T f

ENTRADA 21 V 42 V 14.85 V 0.017 s 58.82 Hz

SALIDA 20 V 20 V 14.14 V 0.017 s 58.82 Hz

4) ¿Qué se puede comentar al respecto? En esta experimentación no tuvimos valor pico a pico ya que la señal de salida por el diodo corta el paso de corriente en un sentido. Esto hace que el rectificador de media onda es un circuito que elimina la mitad de la señal que recibe en la entrada, en función de cómo esté polarizado el diodo, como esta polarización es directa, eliminará la parte negativa de la señal. EXPERIENCIA 2. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA: 1) Utilizando el simulador armamos el circuito mostrado en la siguiente figura, donde el voltaje de 15V también está dado en valores RMS.

2) De la misma manera que para el caso de la experiencia 1, conectamos el osciloscopio del simulador para visualizar la señal a la entrada del puente de diodos y la señal de salida, misma que se obtendrá en las terminales de la resistencia, tal como se muestra en las siguientes figuras:

Experimentación 2

3) Para cada señal obtenida medir las siguientes magnitudes:

ENTRADA 𝑉𝑟𝑚𝑠

Vp = 0.7071 =

15 𝑉

0.7071

= 21.21 𝑉

𝑉𝑟𝑚𝑠

Vp = 0.7071 =

15 𝑉

0.7071

= 21.21 𝑉

Vp = 21 V

Vp = 19 V

Vpp = 42 V

Vpp = 19 V

VRMS =

1 √2

∗ 𝑉𝑚𝑎𝑥

VRMS = (0.7071) (21 V) = 14.85 V 1𝑠 𝑇 = 17 𝐷𝑖𝑣 ∗ 1 𝑚𝑠 = 17 𝑚𝑠 |1000𝑚𝑠 | = 0.017𝑠

1

SALIDA

𝑓=𝑇=

1

0.017𝑠

= 58.82 Hz

VRMS =

1 √2

∗ 𝑉𝑚𝑎𝑥

VRMS = (0.7071) (19 V) = 13.43 V 1𝑠 | = 0.008𝑠 𝑇 = 8 𝐷𝑖𝑣 ∗ 1 𝑚𝑠 = 8 𝑚𝑠 |1000𝑚𝑠

1

𝑓= = 𝑇

1 = 125 Hz 0.12𝑠

4) ¿Qué se puede comentar al respecto? Cuando usamos un diodo dentro del circuito lo convertimos a un circuito recortador y gracias a ello podemos crear ondas para eliminar la parte positiva o negativo como en la experimentación.

Vp Vpp Vrms T f

ENTRADA 21 V 42 V 14.85 0.017 s 58.82 Hz

SALIDA 19 V 19 V 13.43 V 0.008 s 125 Hz

Conclusiones y observaciones. Observaciones: Podemos observar que el simulador hace que la grafica no se ve tan clara ya que en lugar de una onda se hacen picos por lo cual no es tan fácil leerla. Conclusiones: Podemos concluir esta práctica conociendo el funcionamiento de un Diodo en un circuito y podemos notar el trabajo del rectificador de onda, como lo vimos en la experimentación como se elimina la parte negativa.

Bibliografías. A. (2018, 10 octubre). Diodo semiconductor. Electrónica Unicrom. https://unicrom.com/diodosemiconductor/ B. Diodos Semiconductores. (s. f.). Electrónica fácil. Recuperado 26 de noviembre de 2020, de https://www.electronicafacil.net/tutoriales/Diodos-Semiconductores.html...