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DIODOS RECTIFICADORES
OBJETIVOS.- El alumno deberá:
1.1.- Identificar el comportamiento rectificante en un diodo y el comportamiento óhmico en un resistor.
1.2.- Identificar el ánodo (región P) y el cátodo (región N) en un diodo rectificador.
1.3.- Obtener y comparar las curvas características (V - I), de diodos rectificadores de silicio y germanio. En cada caso, determinar el valor del voltaje de umbral y calcular las resistencias estática y dinámica en la región directa de conducción; para un punto de operación Q(VD, ID) arbitrario.
1.4.- Observar y reportar las variaciones que se presentan en la curva característica V-I, en el voltaje de umbral y en la corriente de fuga de los diodos rectificadores cuando varia la temperatura.
1.5. - Contestar y entregar el cuestionario, hacer conclusiones y reportar los datos, gráficas y mediciones llevadas a cabo durante la realización de esta práctica.
EQUIPO PROPORCIONADO POR EL LABORATORIO
Osciloscopio de doble trazo, Generador de señales y Multímetro digital y/o análogo
MATERIAL REQUERIDO QUE DEBE TRAER EL ALUMNO DOS DIODOS DE SILICIO 1N4004 O EQUIVALENTE UN DIODO DE GERMANIO OA81 O EQUIVALENTE
DOS RESISTORES DE 1K A 0.5W
UNA PINZA DE PUNTA, UNA PINZA DE CORTE Y UN
DESARMADOR.
CABLES: 6 CAIMAN-CAIMAN, 6 CAIMAN-BANANA, 8
BANANA-BANANA MINIMO DE 50CM DE LONGITUD
TABLILLA DE CONEXIONES (PROTOBOARD)
4 CABLES COAXIALES QUE TENGAN EN UN EXTREMO
TERMINACION BNC Y EN EL OTRO CAIMANES.
UNA LUPA DE LAS USADAS PARA LECTURA
(OPCIONAL).
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Para el buen desarrollo experimental de esta práctica y la obtención de los objetivos de la misma, será requisito indispensable que el alumno presente por escrito, en forma concisa y breve los siguientes puntos sobre el diodo rectificador y el resistor:
Símbolo, esquema típico de uniones (para el caso de los diodos), modelo matemático, modelo gráfico (curva característica V-I), comportamiento rectificante, comportamiento resistivo, principales parámetros, su definición y bibliografía.
El profesor a su vez, deberá revisar que el alumno cumpla con la tarea previa marcada en los temas del punto anterior, así como, que se presente al laboratorio con los circuitos correspondientes debidamente armados tal como se indica en el desarrollo de esta práctica, de no satisfacer estas indicaciones el alumno no tendrá derecho a quedarse
b) Gráficas (características eléctricas) que muestran el comportamiento rectificante de un diodo y el comportamiento óhmico de un resistor.
a) Gráfica del elemento rectificante (diodo) b) Gráfica del elemento óhmico
(Resistor)
Figura 1.2.-Gráficas que se obtienen en el osciloscopio para el circuito 1.1, donde; “V” es el voltaje en el elemento bajo prueba medido en el canal 1 del osciloscopio (canal X), e “I” es la corriente que circula en el elemento (corresponde al voltaje en la resistencia muestreadora dividido entre el valor de esta resistencia), medida en el canal 2 (canal Y) del osciloscopio.
F 0B 7 Distinguir el comportamiento rectificante del
comportamiento óhmico para diferentes elementos electrónicos, mediante el uso de un multímetro en su función de óhmetro.
Cuando un multímetro en su función de óhmetro, se usa para identificar las terminales de un dispositivo, requiere que se conozca previamente cual de sus terminales es positiva (voltaje de la batería interna del mismo) y cual de ellas es la negativa, ya que en base a esto, podremos saber cuándo un par de terminales de algún dispositivo, se
polariza directa o inversamente y de esta manera conocer en forma indirecta el tipo de regiones semiconductoras (P o N), que dicho dispositivo contiene entre esas terminales. Para saber cual terminal es la positiva y cual la negativa en el óhmetro, use un multímetro en su función de voltímetro, tal como se ilustra en la figura 1.3.
Figura l.3.- Circuito equivalente de un óhmetro analógico y la forma de medir cual terminal es positiva y cual es negativa
Después de realizar las mediciones que se indican en la figura 1.3, lleve a cabo las mostradas en la figura 1.4 y reporte las lecturas que se indican en la tabla 1.1. Para este punto se recomienda al alumno el uso de un multímetro analógico y que elija la misma escala para la realización de todas las mediciones que haga, con el fin de que pueda hacer una adecuada comparación entre las lecturas tomadas.
a) Diodo bajo prueba. b) Resistencia bajo prueba.
Figura 1.4.- Mediciones que permiten identificar con la ayuda del óhmetro, el comportamiento rectificante (diodo) y el comportamiento Óhmico (resistencia).
grande (polarización inversa). Tomando en cuenta estos conceptos, la polarización del óhmetro y las mediciones de la Tabla 1.1, es posible saber en cual terminal esta la región semiconductora P (ánodo) y en cual terminal esta la región N (cátodo) de un diodo semiconductor.
TABLA 1.
MEDICIONES DE RESISTENCIA EN UN DIODO DE SI Y EN UNO DE GE, POLARIZADOS DIRECTA E INVERSAMENTE USANDO LA PILA INTERNA DEL OHMETRO.
DIODO RESISTENCIA MEDIDA ENTRE LAS TERMINALES A (+) Y K(-)
RESISTENCIA
MEDIDA ENTRE LAS
TERMINALES A(-) Y
K(+)
SILICIO 1N
O
EQUIVALENTE
1.3 M 5.4K
GERMANIO
OA81 O
EQUIVALENTE
Mediante las mediciones reportadas en la tabla 1.2, diga ¿ cuál de las terminales (T1 T2) corresponden al cátodo y cuál al ánodo?. En la figura 1.5, dibuje con detalle la forma física y las indicaciones (letras, números, rayas, etc.) de cada uno de los diodos, indicando cual de las terminales es el ánodo y cual el cátodo.
A K A K
IN4004 0A
Figura 1.5 Dibujos de la presentación física e indicaciones de los diodos 1N4004 y OA81.
1.3.-Obtener y comparar la curva característica (V-I), de un diodo rectificador de silicio y uno de germanio. En cada caso, determinar el valor del voltaje de umbral y calcular la resistencia estática y dinámica en la región directa de conducción, para un punto de operación Q (VD, ID) arbitrario.
Armar el circuito de la figura 1.6, colocar las terminales del osciloscopio como se muestra (usándolo en su modo XY) y obtener la curva característica V-I, primero para el diodo de silicio y posteriormente para el diodo de germanio, reportar ambas gráficas en la figura 1.7, asimismo, llenar la tabla 1.3 con los datos solicitados.
I (mA)
a) b)
Figura 1.6.- a) Circuito propuesto para obtener la curva característica de los diodos. El voltaje pico de la señal de
EQUIVALENTE
GERMANIO
OA81 O
EQUIVALENTE
.22V .35V 8.4mA
1.4.- Observar y reportar las variaciones que se presentan en la curva característica, en el voltaje de umbral y en la corriente de fuga de los diodos rectificadores cuando aumenta la temperatura ambiente.
1.4.1 Utilizando el mismo circuito de la figura 1.6, acercar un cerillo encendido (por un tiempo no mayor a 5 segundos) al diodo de prueba y reportar en las mismas figuras 1.7 (en otro color de tinta) lo que observa. En esta medición también puede usar una pistola de aire caliente , ya que tiene la ventaja de aumentar la temperatura del dispositivo en forma mas uniforme y con menor peligro de daño para el diodo
1.4.2 Para el diodo de silicio aumente la temperatura ambiente acercando el cerillo encendido el tiempo que sea necesario para que observe como la curva característica del dispositivo se modifica al grado de que el diodo se comporta como una resistencia de algunos cuantos ohms (al aumentar la temperatura el voltaje de umbral disminuye y la corriente de saturación inversa crece, si este aumento de temperatura es considerable puede hacer que el diodo se comporte casi como un corto circuito). Después de observar esto, retirar el cerillo encendido y esperar que el diodo recupere su característica “normal”. Puede suceder que el diodo ya no se recupere. esto significa que ha quedado dañado definitivamente, en el caso de que si se recupere, es preferible ya no utilizarlo en otras aplicaciones, debido a que en la mayoría de los casos en
que se presentan estos calentamientos excesivos el dispositivo queda con algunas alteraciones que pueden dar problemas en el momento de su aplicación en otro circuito.
1.4.3 Con el diodo que ha quedado dañado o afectado por el aumento de la temperatura, usando sus pinzas con todo cuidado, rompa su encapsulado y observe usando una lupa como esta construido internamente.
1.5.- Contestar y entregar el cuestionario, hacer conclusiones y reportar los datos, gráficas y mediciones llevadas a cabo durante la realización de esta práctica.
1.5.1 Para la figura 1.1 ¿ Cuál de los dos elementos es el que presenta comportamiento rectificante y cual el que presenta comportamiento resistivo. Explique porqué.
El elemento que rectifica es el diodo, y el que presenta el comportamiento resistivo es el resistor. Esto se debe a que el diodo está fabricado de tal forma que cuando se le polariza de manera directa, se comporta como un conductor con un pequeño voltaje de umbral para ésta conducción y cuando lo polarizamos de manera inversa y no rebasamos el voltaje inverso pico, éste se comportará como un aislante. (De ahí el nombre de semiconductor). Cuando se le aplica un voltaje a un resisitor, este siempre presentará una oposición al paso de la corriente independientemente del sentido de circulación de la misma a través de este elemento de circuito, debido a que está fabricado con carbón con el único objetivo de oponerse a la circulación de corriente en función del grado de concentración del mismo sin afectar, como ya se mencionó, el sentido de circulación de la corriente.
anterior, también podremos saber cuáles son el ánodo y el cátodo.
1.5.5 Investigue de que otra forma se puede identificar el ánodo y el cátodo de un diodo usando los multimetros digitales, explique.
En los multímetros digitales actuales (FLUKE, PROAM, BK PRESICION, Y-F, etc.) es común encontrar dentro de sus funciones una que nos permite conocer la cantidad de voltaje que consume una unión P-N, a ésta función se le conoce como probador de diodos. Cuando conectamos entre las terminales de nuestro multímetro un diodo, si la punta roja la ponemos con el ánodo y la punta negra la unimos al cátodo, la pantalla nos estará indicando la caída de voltaje en la unión P-N en su forma de polarización directa, esto es un voltaje aproximado a .7v para los diodos fabricados con Si y .3V para los de Ge. (En la realidad pocas veces se encuentra un semiconductor que presente una caída de voltaje cercana a su valor teórico, generalmente se tiene una caída de voltaje del orden de .55 V para el Si y .25 V para el Ge.). Si ahora conectamos nuestro diodo haciendo coincidir la terminal roja de nuestro multímetro con el cátodo y la terminal negra con el ánodo, la pantalla se mostrará sin cambio con respecto de tenerlo sin conectarle ninguna terminal, debido a que la resistencia que estará presentando nuestro diodo es infinita y por lo tanto la caída de voltaje entre las terminales no cambia al conectar o no nuestro elemento.
1.5.6 Cuando se polariza directamente un diodo con un voltaje menor al voltaje de umbral, ¿De qué orden espera medir el valor de la resistencia equivalente que presenta el diodo?.
Las condiciones que plantea la pregunta no permite conocer el valor óhmico de la unión P-N, debido a que un óhmetro generalmente es alimentado con una batería de por lo menos 3V, voltaje suficiente de ruptura para hacer entrar en conducción en polarización directa a cualquier diodo. Pero si analizamos la condición planteada podemos deducir que si el voltaje de umbral no es rebasado por el voltaje de polarización de nuestro diodo, aunque la polarización de éste se haga de manera directa el diodo no entrará en conducción y por lo tanto presentará una resistencia infinita.
1.5.7 Determine el valor de la resistencia estática en la región directa de conducción (para el punto de operación con corriente de 2mA) tanto para el diodo de silicio como para el de germanio, indique ¿cuál de los dos presenta mayor resistencia estática? (usar los resultados de la figura 1.7).
La resistencia estática de un diodo se define como: “La oposición al flujo de corriente que presenta un diodo cuando se le aplica un valor determinado de voltaje”
Para obtener el valor de la resistencia estática, bastará con localizar el punto en la gráfica de la curva característica del diodo en cuestión, cuyas coordenadas son (Vd, Id ) y con estos valores determinar su valor de resistencia estática, como sigue:
De la ley de ohm tenemos:
Para el Silicio Para el Germanio
Es evidente que el Silicio tiene una mayor resistencia estática que el Germanio, Este resultado no sorprende ya
podremos ver como crece la curva de conducción de los diodos conforme vamos aumentando la amplitud de el voltaje de entrada
1.10 ¿Como es el coeficiente de temperatura del voltaje de umbral de un diodo rectificador?.
A medida que se incrementa la temperatura del diodo rectificador 1N4004, el voltaje de umbral se va acercando a cero, por lo que se dice que el coeficiente de temperatura afecta de manera significativa al este voltaje
1.11 ¿Cómo es el coeficiente de temperatura de la corriente de fuga de un diodo rectificador?.
Para el caso de los diodos de Si, la corriente de fuga será más estable con el incremento de la temperatura que para los diodos de Germanio.
1.12 Explique a que se debe la variación, en la corriente de fuga de un diodo rectificador cuando se eleva la temperatura.
Cuando se incrementa la temperatura en el cuerpo del diodo rectificador, los electrones de los materiales N y P comenzarán a liberarse desmesuradamente de su estructura molecular a causa del exceso de energía que están absorbiendo del calor, provocando esto una conducción en la polarización directa e inversa; Es a esto que se debe el comportamiento de un diodo rectificador como resistor cuando se aumenta la temperatura en su cuerpo.
CONCLUSIONES
El desarrollo de ésta práctica fue muy interesante y productivo, ya que me permitió conocer de una manera teórica-practica el porqué del comportamiento de los diodos en los diferentes sistemas electrónicos que lo utilizan. anterior a éste trabajo, me era desconocido como afectaba directamente el calor a los diodos, pensaba en muchas posibilidades pero no sabía a ciencia cierta que era lo que realmente ocurría cuando por un exceso en la demanda de la corriente , el diodo se ponía en corto dañando a todo el sistema. También pude observar como es que los pulsos negativos que no debería de conducir durante la polarización inversa del diodo, pasan por éste como si fuera un conductor y dañan así por ejemplo el capacitor de filtraje de una fuente y por consecuencia los sistemas conectados a ésta fuente.
Cabe destacar la importancia de un buen diseño en las fuentes de alimentación para evitar que tengamos un consumo no apropiado por los diodos de nuestra fuente y por esta causa se pongan en corto y originen los problemas ya mencionados
