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Electronica Analoga I

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Facultad de Ingeniera

Departamento de Ingeniera Electrica y Electronica

El Diodo: Caracterizacion de su respuesta y parametros

de variacion (tiempo y temperatura)

1. Objetivos

1.1. Objetivo general

Identificar las caractersticas basicas de los diodos semiconductores, incluyendo la curva de corriente vs. tension (ivs. v), la tension de polarizacion directa y el tiempo de recuperacion.

1.2. Objetivos especficos

Determinar experimentalmente la relacion corriente - tension (curva caracterstica i-v) del diodo.

Caracterizar la tension de polarizacion directa del diodo y otros parametros asociados a la curva caractersticaen funcion de la temperatura de operacion del diodo.

Visualizar y determinar los tiempos de respuesta de diferentes tipos de diodos.

2. Materiales e instrumentos requeridos

Osciloscopio de dos canales.

Generador de senales.

Multmetro digital.

Fuente DC dual.

Tres sondas.

Varias resistencias (segun calculos).

Diodos 1N4004 y 1N4148.

3. Practica

La practica esta disenada para desarrollarse en una sesion de laboratorio y se divide en dos partes. Cada una deellas implica trabajo previo al da de la practica y durante el da de la practica.

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3.1. Curva caracterstica del diodo en polarizacion directaEl comportamiento estatico del diodo puede ser descrito mediante la ecuacion1,la cual es una funcion de variables

fsicas y constructivas del diodo.

I= Is

e

Vd VT 1

(1)

En donde IS es la corriente de saturacion inversa, es un parametro constante llamado coeficiente de emision(siempre esta en entre 1 y 2), VT es el llamado voltaje termico y es igual a K T/q, en donde K es la constante deBoltzman (1,38 1023 J/K),Tes la temperatura en grados Kelvin, y qes la carga del electron (1,6 1019 C). Enla region de conduccion, el termino exponencial de la ecuacion del diodo se hace mucho mayor que 1, debido a que(Vd VT), por lo cual la anterior ecuacion puede ser aproximada por:

I= Is

e

Vd VT

(2)

3.1.1. Previo al da de la practica

Implemente en baquela universal dos circuitos utilizando diodos 1N4004. Cada circuito debe estar compuesto poruna fuente variable (0 25 VDC) en serie con una resistencia limitadora de corriente y el diodo a la temperaturarequerida (Temperatura ambiente ( 20C) y temperatura superior a 50C, la cual puede ser lograda acercandolentamente el diodo a un cautn). Realice la eleccion del valor de la resistencia para que la corriente maximadel circuito sea 250 mA cuando este sea alimentado con 25 V.

Verifique que los valores de potencia disipada por la resistencia y por el diodo, se encuentren dentro de losmargenes establecidos por los respectivos fabricantes. Recuerde consignar en la bitacora la hoja de datos(Datasheet) del diodo.

Realice las simulaciones necesarias para corroborar el funcionamiento del circuito disenado.

Investigue como se ve afectada la curva caracterstica del diodo (i-v), ante las variaciones de temperatura y aque se debe este fenomeno.

Consulte la definicion de resistencia dinamica del diodo y el procedimiento para obtener su valor a partir de unagrafica de la curva caracterstica del mismo (ver figura2).

3.1.2. El da de la practica

Usando los montajes implementados de acuerdo a la figura 1 realice las siguientes pruebas:

Figura 1: Circuito de polarizacion del diodo

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Variando lentamente la tension de la fuente DC (desde 0 V), obtenga un numero considerable de parejas devalores (Vd,Id) hasta llegar a I= Imax(corriente maxima dada por el diseno inicial, recuerde que este valor debeser menor a 250 mA). Por ejemplo, una forma de hacerlo es haciendo incrementos de 15 mA.

Grafique los datos adquiridos en un papel milimetrado de Id (eje y) contra Vd (eje x).

Obtenga de manera aproximada a partir de las curvas trazadas con los datos (ver figura2): La tension polarizacionumbral directa y la resistencia dinamica del diodo. Compare los resultados con los valores consignados por elfabricante en la hoja de datos.

Grafique los datos adquiridos en un papel semi-logartmico de Id (eje log) contraVd (eje decimal) y obtenga losparametros de la ecuacion lineal Y =Y0+K V. Se dara cuenta que con la grafica sera facil obtener los valoresdeY0 y K, y por lo tanto, calcular los parametrosIs y presentes en la ecuacion caracterstica.

Figura 2: Curva caracterstica del diodo en polarizacion directa (azul), recta de carga y punto de polarizaci on para elcalculo de resistencia dinamica.

3.2. Tiempo de recuperacion inversa del diodo

El tiempo de recuperacion inversa (trr) es el tiempo que tarda el diodo en recuperar su funci on de corte despues dehaber estado en conduccion, es decir, es el tiempo que tarda la senal en rectificarse tras el cruce por cero en el flanconegativo de la senal de entrada.

Considere que por un circuito circula una corriente IF en cual, mediante la aplicacion de una tension inversa,

forzamos la anulacion de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultara que despues del paso por cero de la corriente,existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentidoinverso durante un instante, dando lugar a una pequena corriente inversa IR. La tension inversa entre el anodo y elcatodo no se establece hasta despues del tiempo ts llamado tiempo de almacenamiento, debido a la capacidad dedifusion. La intensidad todava tarda un tiempotf llamadotiempo de cada, debido a la capacidad de transicion, parapasar de un valor pico negativo a un valor despreciable, mientras van desapareciendo el exceso de portadores.

Tiempo de almacenamiento (ts): Es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la corriente hasta llegaral pico negativo.

Tiempo de cada (tf): Es el tiempo transcurrido desde el momento en que la corriente empieza a tender a cero,hasta el momento en que esta se anula totalmente. En la pr actica se suele considerar hasta el instante en que lacorriente alcanza 10 % IR.

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Tiempo de recuperacion inversa (trr): Es la suma de ts y tf

Los tiempos anteriormente descritos son ilustrados en la figura3

Figura 3: Visualizacion del tiempo de recuperacion de un diodo.

3.2.1. Previo al da de la practica

Tiempo de almacenamiento (ts), el tiempo de cada (tf) y el tiempo de recuperacion inversa (trr) del diodo,mediante la medicion de la tension en la resistenciaR1 (ver figura3). Realice la simulacion para diferentes valoresde frecuencia, (mnimo 2 frecuencias bajas, por ejemplo 100 Hz y 1000 Hz y dos frecuencias altas, por ejemplo20 kHz y 200 kHz).

Identifique en la simulacion la corriente de recuperacion inversa IR que circula durante el tiempo de almace-

namiento (ts), a partir de la medicion de la tension sobre la resistencia R1.Repita el procedimiento anterior con un diodo 1N4148.

3.2.2. El da de la practica

Simule el circuito de la figura1 utilizando una senal cuadrada de 10 Vpp como tension de entrada, R1 = 1 k yun diodo 1N4004.

Implemente el circuito propuesto y por medio de las mediciones realizadas identifique el tiempo de almace-namiento, el tiempo de cada, el tiempo de recuperacion inversa y la corriente de recuperacion inversa.

Compare los resultados obtenidos experimentalmente con los obtenidos mediante simulacion y las especificacionesdadas por el fabricante.

4. Preguntas sugeridas

1. Cuales cambios obtuvo al incrementar la temperatura en el montaje implementado en la primera parte de lapractica?

2. En que tipo de aplicaciones se utilizan diodos como el DN4004?

3. Para que tipo de aplicaciones es recomendable utilizar diodos como el DN4148?

4. Cual es el rango de frecuencia mas apropiado para visualizar el tiempo de recuperacion inversa de cada uno delos diodos?

5. Los resultados obtenidos concuerdan con los valores suministrado por el fabricante?

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ReferenciasPara el desarrollo de esta practica se sugiere consultar:

D. Neamen, Mircoelectronics: Circuit Analysis and Design, 4th ed, New York, McGraw-Hill Higher Education,2009.

A. S. Sedra and K. C. Smith, Microelectronic Circuits Revised Edition, 5th ed. New York, Oxford UniversityPress, Inc., 2007.

M. N. Horenstein, Circuitos y Dispositivos Microelectronicos, 2a ed, Mexico, Prentice Hall Hispanoamericana,1997.

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