Metas de aprendizaje e introducciónEn esta sección se estudiará el funcionamiento de un diodo semiconductor. Se registrará el flujo de corriente que atraviesa el diodo con diversas intensidades y direcciones de tensión con la ayuda de un osciloscopio y, a continuación, se interpretarán los resultados.

 

Contenidos de aprendizaje

Registro de una característica de tensión y corriente Lectura de la tensión de ruptura Estados de conducción y bloqueo del diodo

Introducción

Los diodos modernos son componentes semiconductores que han adquirido gran importancia en la ingenería eléctrica y electrónica debido a su diseño compacto y naturaleza robusta. En el pasado se usaron diodos de vacío con cátodos y ánodos calientes. Hoy, el silicio es el material básico más importante.

Figura 1: Aquí se observan varios modelos de diodos semiconductores, que difieren entre sí por su resistencia a la tensión, a la corriente y por su frecuencia de conmutación. El fabricante proporciona especificaciones precisas de estas propiedades en una hoja de datos.

Usualmente, los diodos poseen dos terminales.

Ánodo           Cátodo

Figura 2: Incluso en la actualidad, los diodos semiconductores se representan por medio de un ánodo y un cátodo.

 

 

Figura 3: Características de diodos de silicio y germanio en estado de conducción.

Descripción del funcionamiento:El diodo ideal funciona como una válvula de corriente eléctrica. Permite que la corriente fluya del ánodo hacia el cátodo en el sentido de conducción, mientras que bloquea la circulación de corriente del cátodo hacia el ánodo en la dirección inversa. La dirección de conducción de corriente se reconoce por la flecha en el símbolo gráfico (figura 2).

Diodos reales:En el componente real (figura 1) se imprime una denominación del tipo. El cátodo se identifica por medio de un anillo o, en el caso de modelos más grandes, gracias al símbolo gráfico o una letra. Ocasionalmente, también hay tipos que omiten del todo la identificación. Por lo tanto, hay que remitirse a la ficha técnica del fabricante correspondiente o realizar una medición con el probador de diodos. Las propiedades de un diodo real difieren ligeramente de las de uno ideal puesto que no presentan propiedades de conducción ni de bloqueo ideales. Esto se reconoce especialmente en la curva característica del diodo (figura 3). Se pueden notar efectos adversos al usar altas frecuencias, hecho que, sin embargo, ignoraremos en este curso.

Sentido de conducción:Los diodos tienen una tensión de conducción muy baja, de aproximadamente 0,7 V en el caso de un diodo de silicio y 0,3 V si se trata de uno de germanio. Además, tienen una resistencia a la conducción de corriente que se reconoce en la pendiente de la característica del componente. Los diodos poseen límites que no se pueden rebasar. En el rango de conducción no se debe exceder la corriente máxima admisible.

Propiedades de bloqueo:Los diodos solamente tienen una resistencia finita a la tensión, la cual, sin embargo, varía enormemente de tipo a tipo. En el sentido de bloqueo, se debe tener en cuenta la máxima tensión de admisible.

Experimento: Efecto de válvula de un diodo

 

  

Diagrama de circuito

Para este experimento se utilizará el siguiente diagrama:

Equipos

Para el experimento se necesitan los siguientes elementos con sus ajustes correspondientes:

Equipo Opciones    

Cable negro Masa

Cable rojo Entrada 400 mA

Selector giratorio mA =

 

Inserte las puntas de prueba roja y negra en los casquillos terminales designados.

 

Montaje experimental

 

Realización del experimento y tareas

 

Conecte la fuente de alimentación en la posición indicada en el montaje experimental. Seleccione para la tensión de salida un valor aproximado de 4 V. ¿Cuál es el valor de la corriente que circula a través del diodo en el sentido de conducción?

Iconducción= mA

Ahora invierta la dirección del diodo, es decir, insértelo en el sentido de bloqueo del circuito. Repita la medición llevada a cabo en la pregunta anterior. ¿Cuál es el valor de la intensidad de corriente si el diodo está conectado en sentido de bloqueo?

Ibloqueo= mA

Tenga en cuenta que, generalmente, las corrientes de bloqueo son muy pequeñas.

 

Experimento: Curva característica del diodo

 

 

Diagrama de circuito

Para este experimento se utilizará el siguiente diagrama:

Equipos

Para el experimento se necesitan los siguientes elementos con sus ajustes correspondientes:

Equipo Opciones

Canal A Canal B

Sensibilidad 1V/DIV 1 V/DIV

Acoplamiento DC DC

Polaridad Normal Normal

Posición Y 0 0

Barrido 2 ms/DIV

Modo X/T

Canal de disparo

A 

Flanco de disparo

Positivo

Forma de la curva

Sinusoidal

Amplitud 8Vpp (40%)

Factor de frecuencia

10

Frecuencia 50Hz

 

 

 

Montaje experimental

Cable negro Masa

Cable rojo Entrada 400 mA

Selector giratorio mA =

 

Inserte las puntas de prueba roja y negra en los casquillos terminales designados.

Realización del experimento y tareas

Una vez realizado el ensayo, el estudiante deberá ser capaz de:

Reconocer el oscilograma de un diodo.  Leer el valor de tensión de bloqueo. Medir la característica de un diodo.

Conecte la fuente de alimentación de corriente alterna en el lugar indicado con el símbolo ~ en el montaje experimental. En el generador de funciones, seleccione una tensión de salida con un valor aproximado de 4 V. Conecte los

terminales de medición del osciloscopio en la posición prescrita y seleccione en el instrumento los parámetros indicados anteriormente. No obstante, en primer lugar active únicamente el canal A del osciloscopio. Registre el oscilograma en el siguiente diagrama.

 

 

 

¿Cuál es el valor de la tensión de ruptura del diodo?

Vruptura = V

Se puede identificar la tensión de ruptura por medio de la semionda cortada del canal A del osciloscopio. Para realizar una mejor lectura del valor de tensión, seleccione brevemente una sensibilidad de entrada del canal A de 0,5 V/div.

 Reemplace la resistencia de 100 ohmios por una de 330 ohmios. ¿Cuál es

ahora la respuesta de la tensión de bloqueo?

Permanece aproximadamente constante.

Se triplica.

Se reduce a un tercio de su valor.

Tal como antes, realice la medición con una sensibilidad más alta en el canal A.

Ahora seleccione el modo de visualización de ejes X/Y en el osciloscopio y active adicionalmente el canal B. Reemplace las conexiones del amperímetro

por medio de un cable o puente y registre la característica en el diagrama.

 

 

Rectificador de semionda y en puente 

 

Metas de aprendizaje e introducción

  En este experimento, los estudiantes se familiarizarán con el módulo rectificador. Se analizará la respuesta de un rectificador de semionda y en puente, y se registra la característica por medio de mediciones con diversas cargas.

 

Contenidos de aprendizaje

Rectificador de semionda  Rectificador en puente   Alisado y ondulación y residual Resistencia de carga

Introducción

Generalmente, las fuentes de suministro de tensión no son adecuadas para alimentar directamente equipos electrónicos. En primer lugar, su tensión se debe llevar a un rango apropiado y, a continuación, se procede a su rectificación y alisamiento. Un control adicional mantiene la tensión constante independientemente de la carga.

Esta descripción y los siguientes experimentos se concentran en el rectificador y la correspondiente red de alisamiento.

Usando los diodos semiconductores disponibles en la actualidad, los rectificadores se pueden emplear muy fácilmente para que actúen en todos los rangos de potencia. De entre todos los posibles circuitos rectificadores, hay dos que desempeñan un papel particularmente importante en la práctica debido a su popularidad y uso generalizado.

Adicionalmente al circuito rectificador propiamente dicho, casi siempre hay otro circuito necesario para alisar la tensión "pulsante" o, de ser necesario, reducir los picos de corriente.

Rectificador de semionda

Rectificador en puente

Capacitor de alisado

Alisado con capacitor e inductancia

 

Rectificador de semionda

Debido al efecto de válvula de los diodos, estos solo permiten el paso de la semionda positiva de la tensión de corriente alterna sinusoidal, mientras que la semionda negativa se ve bloqueada. El resultado es una "tensión pulsante" u ondulada de corriente continua, compuesta, por tanto, de tensión continua y de una tensión alterna superpuesta.El valor promedio de la tensión de corriente continua VD AV corresponde al área

de un periodo de tiempo versus tensión.La frecuencia de la onda fundamental de una tensión alterna superpuesta asciende a 50 Hz.

Nota: El circuito de semionda no se debe usar para transformadores de fuentes de alimentación (o solo para rangos bajos de potencia), debido a que el transformador se carga con una componente de corriente continua.

Zeit [s]

0.00 20.00m 40.00m 60.00m

OU

T

0.00

10.00

IN

-10.00

10.00

La amplitud de la tensión de salida, en comparación con la de entrada, se reduce en un valor igual al de la tensión de conducción del diodo de, aproximadamente, 0,7 V.

Rectificador en puente

En el sentido del flujo de corriente del rectificador en puente siempre operan simultáneamente dos diodos, mientras que los otros dos permanecen en el sentido de bloqueo. Durante la aparición de las semiondas positivas y negativas estas funciones las asumen diferente diodos, tal como se aprecia en las siguientes imágenes.

Durante la aparición de la semionda positiva, los diodos D2 y D3 conducen corriente mientras que D1 y D4 la bloquean.

Durante la aparición de la semionda negativa, los diodos D1 y D4 conducen corriente mientras que D2 y D3 la bloquean.

 

El resultado es nuevamente una tensión de corriente continua ondulada. A diferencia del caso en que se rectifica la semionda, la ondulación es considerablemente reducida, la media aritmética y frecuencia de la tensión de ondulación asciende al doble en comparación de lo que ocurre con la rectificación de semionda.

Zeit [s]

0.00 20.00m 40.00m 60.00m

OU

T

0.00

10.00

IN

-10.00

10.00

La amplitud de la tensión de salida, en comparación a la tensión de entrada, se reduce en un valor igual al la tensión de conducción multiplicado por dos, es decir, a aproximadamente 1,4V.

Ondulación residual

Al conectar un capacitor en paralelo a la carga, se almacenan de manera intermedia portadores de carga. La carga puede aprovecharlos esto si la tensión baja a menos del valor requerido en el curso de un periodo de oscilación periódica de la fase. Tan pronto como la tensión vuelva a superar el nivel requerido, el capacitor se recarga. La diferencia de potencial que oscila entre el mínimo y máximo se llama tensión de ondulación u ondulación residual. A menudo esto se especifica como un porcentaje que refleja la relación de la tensión total. 

 

Experimento: Rectificador de media onda

 

Diagrama de circuito

Para este experimento se utilizará el siguiente diagrama:

Equipos

Para el experimento se necesitan los siguientes elementos con sus ajustes correspondientes:

Equipo Opciones

Canal A Canal B

Sensibilidad 1V/DIV 1V/DIV

Acoplamiento DC DC

Polaridad Normal Normal

Posición Y 0 0

Barrido 5 ms/DIV

Modo X/T

Canal de disparo A 

Flanco de disparo Positivo

Forma de la curva Sinusoidal

Amplitud 8Vpp (40%)

Factor de frecuencia 10

Frecuencia 50Hz

 

Montaje experimental

 

Realización del experimento y tareas

 

Seleccione en el osciloscopio las opciones indicadas anteriormente. Copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación.

¿Cuál es la tensión máxima que circula a través de la resistencia?

Vpp = V

Ajuste el osciloscopio de manera que pueda leer óptimamente el valor buscado. De ser necesario, modifique el barrido seleccionado de modo que la semionda positiva aparezca en la mitad del oscilograma.

¿A partir de esto, cuál es el valor de la tensión que cae en la resistencia?

Vmínima = V

Ajuste el osciloscopio de manera que pueda leer óptimamente el valor buscado. De ser necesario, modifique el barrido seleccionado de modo que la curva aparezca en la mitad del oscilograma.

Cambie la frecuencia del generador de funciones a 200 Hz. No adapte en este caso el barrido de la frecuencia. Copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación.

Cambie la frecuencia del generador de funciones a 200 Hz. ¿Cuál es la tensión máxima que circula ahora a través de la resistencia?

Vmáxima = V

Seleccione el barrido de manera que el valor se pueda leer óptimamente en el centro del osciloscopio.

¿Cuál es la tensión mínima que circula a través de la resistencia?

Vmínima = V

Reemplace el resistor de 10 kiloohmios por uno de 4,7 kiloohmios y seleccione una frecuencia de 50 Hz (para una mejor lectura es necesario volver a adaptar el barrido). ¿Cuál es la tensión mínima que circula a través de la resistencia?

Vmínima = V

Aumente nuevamente la frecuencia a 200 Hz. ¿Cuál es la tensión mínima que circula a través de la resistencia?

Vmínima = V

 

Calcule la ondulación residual a partir de las mediciones anteriores.  Con esta finalidad consulte la página anterior.

Q10k,50Hz = %

Q10k,200Hz = %

Q4,7k,50Hz = %

Q4,7k,200Hz = %

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? La ondulación residual...

... disminuye al incrementarse la carga.

... se incrementa con el aumento de la frecuencia.

... permanece siempre igual.

... disminuye si decrece la carga.

... aumenta si disminuye la frecuencia.

Observe los resultados anteriores.

Experimento: Rectificador de onda completa

 

Diagrama de circuito

Para este experimento se utilizará el siguiente diagrama:

 

Equipos

Para el experimento se necesitan los siguientes elementos con sus ajustes correspondientes:

Equipo Opciones

Canal A Canal B

Sensibilidad 1V/DIV 1V/DIV

Acoplamiento DC DC

Polaridad Normal Normal

Posición Y 0 0

Barrido 2 ms/DIV

Modo X/T

Canal de disparo A 

Flanco de disparo Positivo

Forma de la curva Sinusoidal

Amplitud 8Vpp (40%)

Factor de frecuencia 10

Frecuencia 50Hz

 

Montaje experimental

Realización del experimento y tareas

Una vez realizado el ensayo, el estudiante deberá ser capaz de:

Reconocer la tensión de salida de un rectificador puente de onda completa. 

Evaluar la ondulación residual bajo carga.  Reconocer el oscilograma de un rectificador de onda completa

parcialmente dañado. 

Ajuste el osciloscopio como se indicó anteriormente y retire el condensador del circuito. Copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación.

 

Seleccione el voltaje de entrada en un valor de 4 V de tensión pico. ¿Qué valor tiene la tensión pico en la salida del rectificador puente de onda completa?

Vp = V

Ajuste el osciloscopio de manera que pueda leer óptimamente los valores en la pantalla.

¿Por qué la tensión pico es menor en la salida que en la entrada?

La tensión es menor debido al desfase en el tiempo de la señal.La tensión es menor debido a que cae aproximadamente 0,7 voltios al pasar por cada diodo.La tensión es menor porque está más cerca de la carga. 

Recuerde que, en cada fase, la corriente siempre debe circular a través de dos diodos.

 ¿Por qué la tensión de salida es plana entre las dos semiondas?

Se produce una caída de tensión de 0,7 voltios en cada uno de los diodos. Por este motivo, por debajo de una tensión de entrada menor que 1,4 V ya no se cuenta con voltaje.

Toda la tensión cae en la resistencia de carga.

La tensión de salida sufre la influencia del osciloscopio en la medición.

Conecte ahora el condensador en la posición que se encontraba anteriormente.  Copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra

a continuación.

 

Mida la ondulación residual y  registre el valor obtenido en la casilla siguiente.

Vresidual= V

La tensión se puede medir también con el multímetro.