¡Descarga Practica4 Física y más Ejercicios en PDF de Física solo en Docsity!
DÍODES: CARACTERÍSTIQUES I APLICACIONS
Abans d'anar al laboratori
1 - Estudieu l'apartat 1 sobre el Fonament Teòric d'aquesta pràctica.
2 - Resoleu el problema plantejat a l'apartat 1.3. La resolució d'aquest problema l'haureu de lliurar al professor del laboratori a l'inici de la pràctica.
3 - Mireu l'Apèndix A sobre el Tauler de Connexions, l'Apèndix B sobre el Polímetre i l'Apèndix C sobre el l'Oscil·loscopi.
4 - Llegiu l'apartat 2 sobre el Procediment de Mesura que seguireu durant la realització d'aquesta pràctica.
Objectius :
a) Veure les corbes característiques d'un díode d'unió i d'un díode Zener.
b) Visualitzar la rectificació d'una ona amb un díode d'unió i un pont de díodes.
c) Muntar un circuit limitador de tensió amb un díode Zener.
1 Fonament teòric
1.1 Descripció d'un díode
Un díode és un dispositiu format per la unió d'un semiconductor de tipus p i un tipus n.
Si s'aplica als seus extrems una tensió VAK = VA – VK , s'observa que la intensitat que hi circula no és lineal amb la tensió, de manera que només hi ha circulació apreciable de corrent quan VAK és superior a un determinat valor que depèn dels materials semiconductors. Per tensions negatives el díode pràcticament no condueix. La gràfica que ens dóna la relació existent entre I i VAK s'anomena corba característica del díode i té la forma indicada a la Figura 1. La tensió V γ, a partir de la qual I augmenta notablement, s'anomena tensió llindar.
El símbol del díode indica el sentit permès de pas del corrent.
Hi ha un tipus especial de díode que permet la conducció quan està polaritzat inversament. Aquest díode s'anomena díode Zener , i la seva corba característica és com la representada a la Figura 2.
La tensió VZ , a partir de la qual el díode condueix estant polaritzat inversament, s'anomena tensió Zener.
Una propietat important del díode Zener és que, quan condueix polaritzat inversament, encara que augmenti molt la intensitat que hi circula, les variacions de la tensió són molt petites i pot considerar-se que aquesta es manté pràcticament constant i igual a VZ.
El símbol del díode Zener és
1.2 Aplicacions
D'entre les moltes aplicacions dels díodes, en aquesta pràctica en veurem les següents: la rectificació de mitja ona, la rectificació d'ona completa i l'estabilització d'una tensió no constant.
1.2.1 Rectificació de mitja ona
A la Figura 3 veiem una resistència R connectada a una tensió alterna V ( t ) =V sin( ω t ). En
aquest circuit la intensitat I ( t ) està en fase amb el voltatge V ( t ).
Figura 3: Circuit de corrent altern sense rectificar
La Figura 4 mostra el circuit de la Figura 3 al qual se li ha incorporat el díode. En aquest cas, els semiperíodes negatius de I ( t ) desapareixen.
Figura 4: Circuit de corrent altern rectificat amb un díode
1.2.3 Estabilització d'una tensió no constant
Si a la sortida del pont de díodes es connecta un condensador en paral·lel, el procés de càrrega i descàrrega del condensador esmorteeix les oscil·lacions del corrent rectificat (Figura 8), de manera que es quasi continu al voltant d'un valor mitjà Vm.
Figura 8
Si, com s'indica a la Figura 9, a més a més, s'hi introdueix un díode Zener de tensió VZ la tensió a la sortida serà VZ.
Figura 9: Un díode Zener pot estabilitzar una tensió no constant
1.2.4 Circuit limitador de tensió
A la Figura 2, on es mostra la corba característica d'un díode Zener, s'observa que quan el díode condueix en polarització inversa el voltatge es manté pràcticament constant ( V = - VZ ) per a qualsevol valor de la intensitat. Aquest comportament suggereix l'ús d'un díode Zener en un limitador de tensió, que és un circuit elèctric format per resistències i díodes especialment dissenyat per protegir un circuit extern de tensions que el podrien malmetre. Cal dir que en polarització directa la tensió no es manté tan constant pel valor V = V γ com en polarització inversa.
L'esquema d'un circuit limitador de tensió és el que es mostra a la Figura 10a. Aquest circuit és equivalent al de la Figura 10b que correspon al circuit equivalent Thévenin entre F i C quan no hi ha el díode connectat en sèrie amb al díode ´
B C D
A
R
IZ
RC
IC
A I F E
B C
RTh
ε Th
IZ
A F
Figura 10a Figura 10b
ε Th és la tensió VFC = V F - VC quan pel díode del circuit de la Figura 10a no circula
corrent i I = IC = ε/( R + RC ). Aleshores ε Th = RC ε/( R + RC ). Si
Th C Z C
R V
R R
→ C Z
C
R R
V
R
pel díode passa corrent i el valor de ε a partir del qual el díode comença a conduir és:
ε min
Z =^ C Z
C
R R
V
R
Un criteri bastant estès per mesurar VZ consisteix en utilitzar el valor de VFC per al qual IZ =1 mA (veure Figura 11).
Figura 11
La potència dissipada per un díode és el producte de VFC per IZ. Si el díode està en polarització inversa i condueix, VFC ≈ V (^) Z i la potència és PZ = VZIZ.
Al circuit limitador de tensió de la Figura 10 es pot plantejar una equació de balanç energètic, en què la potència subministrada pel generador ε I es dissipa a les resistències i al díode:
2 2
ε I = RI + R I C C + VFC IZ (2)
- Engegueu l'oscil·loscopi com s'explica a l'Apèndix C.
- Si disposeu del model HM303-6 comproveu sobretot que cap botó estigui premut i que el commutador TRIG està a la posició AC.
- Si disposeu del model HM400 només han d'estar il·luminats els botons CH 1 que hi ha a la dreta de la pantalla i al requadre TRIGGER, i el botó AC d'aquest mateix requadre.
Quan convingui, les indicacions del model HM400 les indicarem entre parèntesis.
- Premeu el botó X-Y (o el XY, que ha de quedar il·luminat), i poseu ambdós canals en la posició GD (o GND, que ha de quedar il·luminada). A la pantalla ha d'aparèixer un punt que cal centrar a l'origen de coordenades amb els comandaments X-POS i Y-POS I (o X-POSITION i POSITION 1). Si aquest punt és molt intens, baixeu la intensitat fent girar el comandament INTENS (o pitjant els botons + o – d'ADJUST).
- Un cop centrat el punt, poseu els dos canals de l'oscil·loscopi en posició DC (en el HM400 no ha d'estar il·luminat el botó AC que hi ha sota el comandament VOLTS/DIV de cada canal) i despremeu GD (o GND que no ha de quedar il·luminat).
- Situeu el coeficient de deflexió del canal 1 en 0.5 V/div, i el del 2 en 50 mV/div. Modifiqueu l'amplitud de sortida del generador amb el comandament AMPLITUDE fins que a la pantalla aparegui la corba característica del díode indicada a la figura 1:
- El canal 1, a l'entrada del qual posa INP(X) (o X-INP), és el senyal horitzontal, que en aquest cas és la tensió total del díode i la resistència. Però per a les intensitats que circulen, la tensió a borns de la resistència és petita comparada amb la tensió a borns del díode ( VR << Vdiode ) , amb la qual cosa es pot considerar que la tensió total és pràcticament igual a la del díode.
- L'altre canal és el senyal vertical, que en aquest cas és la tensió a borns de la resistència VR , tensió que és proporcional a la intensitat de corrent que circula pel díode ( VR = IR ).
- Determineu el valor de la tensió llindar V γ oscil
- Repetiu els apartats anteriors substituint el díode 1N4007 pel díode Zener de 6.2 V. En aquest cas, però, poseu el coeficient de deflexió del canal 1 en 2 V/div i el de l'altre en 0.2 V/div. Si cal, augmenteu l'amplitud de sortida del generador fins que observeu la conducció inversa indicada a la figura 2.
- Determineu els valors de les tensions Zener ( VZ oscil ) i llindar ( V γ oscil ). Si cal, canvieu el
coeficient de deflexió del canal 1 per tenir una major resolució.
MOSTREU AL PROFESSOR ELS RESULTATS OBTINGUTS
2.2 Rectificació
2.2.1 Rectificació de mitja ona
- Amb el díode 1N4007 i la resistència de 1 kΩ torneu a fer el muntatge descrit a la Figura 13.
- Apliqueu un senyal sinusoïdal de 500 Hz.
- Premeu el botó DUAL (i en el model HM400 el XY deixarà d'estar il·luminat) i en el HM303-6 despremeu el botó X-Y. En aquesta situació el canal 1 ens mostra la tensió original (alterna) i l'altre la rectificada (els semiperíodes negatius queden suprimits).
- Poseu ambdós canals en la posició GD (o GND). A la pantalla han d'aparèixer dues rectes horitzontals que cal centrar sobre l'eix de les x amb els comandaments Y-POS I i II (o POSITION 1 i 2).
- Despremeu el botó GD (o GND) i poseu el canal 1 en AC i el 2 en DC.
- Poseu la base de temps en 0.5 ms/div i situeu els coeficients de deflexió d'ambdós canals en 2 V/div. Si cal, reguleu el comandament AMPLITUDE del generador fins que el senyal de la pantalla sigui semblant al de la figura 4.
MOSTREU AL PROFESSOR LES CORBES OBTINGUDES
2.2.2 Rectificació d'ona completa
- Amb el pont de díodes i la resistència de 1 kΩ munteu el circuit que s'esquematitza a la figura 14. No us oblideu de treure el cable que connecta el generador de senyals i el canal 1 de l'oscil·loscopi. I poseu l'oscil·loscopi per visualitzar només el canal 2, per a la qual cosa en el HM303-6 cal prémer el botó CH I/II (i en el HM400 cal pitjar el botó CH 2 que hi ha just al costat de la pantalla perquè s'il·lumini).
Figura 14
- Apliqueu un senyal sinusoïdal de 500 Hz.
- Poseu el canal 2 en la posició DC i visualitzeu aquest canal. Ajusteu la base de temps a 0.5 ms/div i el coeficient de deflexió corresponent en 2 V/div.
- Gireu convenientment el comandament AMPLITUDE del generador de funcions per tal de veure la tensió rectificada com la de la intensitat I ( t ) a la Figura 6.
2.2.3 Amortiment de les oscil·lacions del corrent rectificat
- Connecteu un condensador de 1 μF en paral·lel a la resistència. Heu d'observar un senyal semblant al de la Figura 8. Reguleu l'amplitud del senyal del generador per tal que el valor mitjà Vm del senyal sigui d'uns 2 V.
- Repetiu el mateix amb un condensador de 47 μF (amb el signe + al born vermell). Heu d'observar que el senyal és pràcticament continu.
MOSTREU AL PROFESSOR LA FIGURA OBTINGUDA
50 Ω
Generador de senyals
CH I CH II
Oscil·loscopi
R
vermell
negre negre
pont de díodes
+
∼ -
∼
vermell
- Utilitzeu la fórmula (1) amb els valors R = R 1 + R 2 i RC = R 3 + R 4 , i el valor de VZ
mesurats a la primera part de la pràctica, per calcular el valor teòric de ε min Z a partir
del qual el díode Zener comença a conduir.
- Mesureu la intensitat IZ i la tensió del díode Zener VFC per a valors de la fem de 5, 10,
15, 20 i 25 V. Observeu com el díode condueix per a valors de ε superiors al calculat a
l'apartat anterior, i que quan condueix la tensió VFC és manté pràcticament constant igual a VZ. A mida que augmenteu el valor de la fem de la font, fixeu-vos per a quin
valor concret de ε la intensitat IZ mesurada amb l'amperímetre comença a ser diferent de
zero ( ε min^ mesuradaZ ) i anoteu-la al full de pràctiques.
- Varieu la fem de la font i mesureu el valor de VFC per al qual IZ = 1 mA. Aquest serà
el valor de V Z (1 mA). Compareu aquest valor amb el que heu mesurat anteriorment amb
l'oscil·loscopi ( VZ oscil ).
7. Per al valor de la fem ε de 20 V mesureu els valors de VFC , I , IZ i IC. Amb aquests
valors comproveu que la potència subministrada per la font és igual a la potència dissipada a les resistències i al díode. Utilitzeu la fórmula 2 i tingueu en compte que R = R 1 + R 2 i RC = R 3 + R 4. Compareu els valors mesurats amb els que heu calculat teòricament al problema de l'apartat 1.3.
Díodes: Característiques i aplicacions
1. Tensions característiques dels díodes:
Díode 1N4007: V γ oscil =
Díode Zener DZ6V2: VZ oscil = V γ oscil =
2. Rectificació
(Els espais buits de la taula són per al vist i plau del professor )
Rectificació de mitja ona
Rectificació d'ona completa
Amortiment de les oscil·lacions
3. Circuit limitador de tensió en polarització inversa
Mesura del valor real de les resistències
R 1 (100 Ω) = R = R 1 + R 2 =
min
teorica (^) C oscil Z Z C
R R
V
R
R 2 (200 Ω) =
R 3 (200 Ω) =
RC = R 3 + R 4 =
R 4 (50 Ω) =
Mesures de tensió i intensitat ε min^ mesuradaZ =
ε VFC IZ
5 V
10 V
15 V
20 V
25 V
Mesura de la tensió Zener: V Z (1mA)= VFC ( IZ = 1 mA) = VZ oscil =
Balanç energètic
valors ε VFC IZ IC I ε I R I^2 + RC I C^2 + VFC IZ
mesurats 20 V
teòrics 20 V
Resumeix darrera d'aquest full la pràctica realitzada
