Tc2 Simulador Diodo Rectificador

TRABAJO COLABORATIVO DOS

-FÍSICA ELECTRÓNICA-

Realizado por:

Grupo100414 - 47

Tutor:

PABLO ANDRES HERNANDEZ

Fecha:24/10/2011

Cartagena-Bolívar

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENEIRIAS

PROGRAMA DE INGENIERIA DE SISTEMAS

FISICA ELECTRONICA LALLABORATORIO SIMULADO

OBJETIVOS

Objetivos Generales:

Dar a conocer algunas de las herramientas de desarrollo para la electrónica mediante el empleo de laboratorios virtuales.

Demostrar mediante laboratorios la funcionalidad rectificadora de los diodos de acuerdo a su polarización.

Objetivos Específicos:

Identificar las funciones de algunos elementos básicos en electrónica.

Diferenciar algunos elementos activos de circuitos básicos, sus características y funciones

Crear e interpretar planos de fuentes de voltaje directo sencillas conociendo sus diferentes componentes.


FASE 1

SOLUCIONE DE CUESTIONARIOSEMICONDUCTORES

1. Enuncie las principales características y diferencias existentes entre un material aislante, un conductor y un semiconductor. De algunos ejemplos de cada grupo.

DEFINICIONMATERIAL UTILIZADO

TIPO


CO

ND

UC

TO

R

Poseen la propiedad de que algunos de sus electrones pueden pasar libremente de un átomo a otro cuando se aplica una diferencia de potencial (o tensión eléctrica) entre los extremos del conductor, a lo que se llama corriente eléctrica. Algunos materiales, principalmente los metales, tienen un gran número de electrones libres que pueden moverse a través del material. Estos materiales tienen la facilidad de transmitir carga de un objeto a otro.

Oro, la plata y el cobre

Uno o dos electrones de valencia

AIS

LA

NTE

Tienen la propiedad de evitar el flujo de electrones ya que su estructura atómica está fuertemente unida y se requiere una diferencia de potencial muy elevada para romperla, se emplea sobre las diferentes partes conductoras para proteger a las personas frente a las tensiones eléctricas (aislamiento protector), y a diferencia de los conductores, se requiere un mayor potencial para separar algunos electrones del átomo.

El caucho, losPlásticos, el papel, la resina, la cerámica y el vidrio

8 electrones de valencia o más de cuatro Entre más electrones se tengan en la capa de valencia mejor aislante será el material.

SEM

ICO

ND

UC

TO

R

Un semiconductor es un elemento que no es directamente conductor ni aislante, son aquellos elementos pertenecientes al grupo IV de la Tabla Periódica. Su principal característica es la de conducir la corriente sólo en determinadas circunstancias, y evitar el paso de ella en otras.

Los semiconductores tienen cuatro electrones de valencia y sus átomos pueden enlazarse entre ellos, compartiendo sus electrones, para formar cristales estables. Esto se conoce como enlace covalenteLos materiales semiconductores puros se denominan intrínsecos y cuando se les agregan impurezas se les denomina extrínsecos

Germanio y el silicio.

Los semiconductores tipo N se construyen con Si o Ge, pero se les adicionan átomos de impurezas que tienen 5 electrones de valencia, de tal manera que al formarse los enlaces covalentes queda sobrando un electrón. Los átomos que se usan como impurezas son los de arsénico, antimonio y fósforo.

Los materiales tipo P son aquellos que se forman agregando al material semiconductor puro impurezas que contienen 3 electrones de valencia, de tal manera que vamos a tener ausencias de electrones o lo que podemos llamar huecos. Los elementos que más frecuentemente se usan para producir el material tipo P son el indio, boro y galio.

2. Cómo se obtiene un semiconductor tipo N y uno tipo P? Qué cualidades o características adquiere este material con respecto al semiconductor puro?

Como se explico en la tabla anterior existen dos tipos de semiconductores los cuales son:

Semiconductores Tipo N (silicio y arsénico)


Cuatro de los cinco electrones del átomo de arsénico se unirán a los correspondientes electrones de los cuatro átomos de silicio vecinos, y el quinto quedará inicialmente libre, sin una posible unión, y por tanto se convertirá en un portador de corriente. A este tipo de impurezas que entregan electrones portadores (negativos) se los denomina donadores o del tipo n.

En un semiconductor con impurezas del tipo n, no sólo aumenta el número de electrones sino que también la cantidad de huecos disminuye por debajo del que tenía el semiconductor puro. La causa de esta disminución se debe a que una parte de los electrones libres llena algunos de los huecos existentes.

Semiconductores Tipo P

Si al semiconductor puro de silicio se le añade algún tipo de impureza que tenga tres electrones externos, solo podrá formar tres uniones completas con los átomos de silicio, y la unión incompleta dará lugar a un hueco.

Este tipo de impurezas proporcionan entonces portadores positivos, ya que crean huecos que pueden aceptar electrones; por consiguiente son conocidos con el nombre de aceptores, o impurezas del tipo p. Al contrario de lo que sucede en el tipo n en este tipo de semiconductor los portadores que disminuyen son los electrones en comparación, con los que tenía el semiconductor puro.

Para finalizar y resumir lo anterior se puede decir que a los semiconductores puros que le sean agregadas ya sea impurezas donadoras o aceptadoras se les llama respectivamente de tipo n o p. En un semiconductor del tipo n, los electrones se denominan portadores mayoritarios y los huecos portadores minoritarios. En un material de tipo p, los huecos son portadores mayoritarios, y los electrones portadores minoritarios.

3. Consulte sobre otros tipos de diodos, diferentes al rectificador, el LED, el zéner y el fotodiodo.

El diodo avalancha, es un semiconductor diseñado especialmente para trabajar en tensión inversa. En estos diodos, poco dopados, cuando la tensión en polarización inversa alcanza el valor de la tensión de ruptura, los electrones que han saltado a la banda de conducción por efecto de la temperatura se aceleran debido al campo eléctrico incrementando su energía cinética, de forma que al colisionar con electrones de valencia los liberan; éstos a su vez, se aceleran y colisionan con otros electrones de valencia liberándolos también, produciéndose una avalancha de electrones cuyo efecto es incrementar la corriente conducida por


el diodo sin apenas incremento de la tensión. Este tipo de diodo es ampliamente utilizado como protección para evitar exceso de voltaje en circuitos electrónicos

El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa (menos de 1ns) y muy bajas tensiones de umbral (aproximadamente de 0,2 V a 0,4 V). El diodo Schottky está constituido por una unión metal-semiconductor (barrera Schottky), en lugar de la unión convencional semiconductor PN utilizada por los diodos normales. Su mayor limitación es la dificultad de conseguir altas resistencias inversas cuando se trabaja con altos voltajes inversos pero encuentra una gran variedad de aplicaciones en circuitos de alta velocidad donde se necesitan grandes velocidades de conmutación y mediante su poca caída de voltaje en directo permite poco gasto de energía.

Diodo Gunn. Es una forma de diodo usado en la electrónica de alta frecuencia. A diferencia de los diodos ordinarios construidos con regiones de dopaje P o N, solamente tiene regiones del tipo N, razón por lo que impropiamente se le conoce como diodo. Existen en este dispositivo tres regiones; dos de ellas tienen regiones tipo N fuertemente dopadas y una delgada región intermedia de material ligeramente dopado. Cuando se aplica una pequeña tensión continua a través de una placa delgada de Arseniuro de Galio (GaAs), ésta presenta características de resistencia negativa. Todo esto ocurre bajo la condición de que la tensión aplicada a la placa sea mayor a los 3,3 voltios/cm. Si dicha placa es conectada a una cavidad resonante, se producirán oscilaciones y todo el conjunto se puede utilizar como oscilador. Los diodos Gunn suelen fabricarse de arseniuro de galio para osciladores de hasta 200 GHz, mientras que los de Nitruro de Galio pueden alcanzar los 3 Terahertz. La frecuencia de la oscilación obtenida a partir de este efecto, es determinada parcialmente por las propiedades de la capa o zona intermedia del diodo, pero también puede ser ajustada exteriormente. Los diodos Gunn son usados para construir osciladores en el rango de frecuencias comprendido entre los 10 Gigahertz o aún más alta (hasta Terahertz). Este diodo se usa en combinación con circuitos resonantes construidos con guías de ondas, cavidades coaxiales y resonadores YIG y la sintonización es realizada mediante ajustes mecánicos, excepto en el caso de los resonadores YIG en los cuales los ajustes son eléctricos.

Diodo PIN es una estructura de tres capas, siendo la intermedia un semiconductor intrínseco, y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura P-I-N que da nombre al diodo). Sin embargo, en la práctica, la capa intrínseca se sustituye bien por una capa tipo P de alta resistividad o bien por una capa n de alta resistividad. Se puede utilizar como: conmutador de RF, resistencia variable, protector de sobre tensiones, foto detector, etc.]

El diodo Shockley es un dispositivo de dos terminales que tiene dos estados estables: OFF o de alta impedancia y ON o baja impedancia. No se debe confundir con el diodo de barrera Schottky. Está formado por cuatro capas de semiconductor tipo n y p, dispuestas alternadamente. Por lo que


es un tipo de tiristor. Para pasar del estado OFF al ON, se aumenta la tensión en el diodo hasta alcanzar la tensión de conmutación. La impedancia del diodo desciende bruscamente, haciendo que la corriente que lo atraviese se incremente y disminuya la tensión, hasta alcanzar un nuevo equilibrio. Para volver al estado OFF, se disminuye la corriente hasta la corriente de mantenimiento. Ahora el diodo aumenta su impedancia, reduciendo, todavía más la corriente, mientras aumenta la tensión en sus terminales, hasta que alcanza el nuevo equilibrio

El diodo Varactor o Varicap es un tipo de diodo que basa su funcionamiento en el fenómeno que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unión PN varíe en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión.

Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500 pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1 V. La aplicación de estos diodos se encuentra, sobre todo, en la sintonía de TV, modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio y en los osciladores controlados por voltaje (oscilador controlado por tensión). En tecnología de microondas se pueden utilizar como limitadores: al aumentar la tensión en el diodo, su capacidad varía, modificando la impedancia que presenta y desadaptando el circuito, de modo que refleja la potencia incidente.

4. Cuáles son las principales características y diferencias existentes entre un transistor NPN y uno PNP.

Transistores NPN

Es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.

Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector. La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

Transistores PNP

Con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en


día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.

Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N (base) entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.

La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

DIFERENCIAS

La principal diferencia radica en la impureza agregada al semiconductor la cual define que tipo de conducción poseerá el elemento (huecos o electrones) además de la polarización del diferencial de voltaje aplicado al circuito. Ejemplo: Al colector de un NPN se le aplica un voltaje positivo (comparado con su emisor) mientras que a un PNP se le aplica una carga de voltaje negativo en su colector al compararse con su emisor.

5. Cuál es la importancia de los elementos semiconductores en el actual desarrollo tecnológico?

Los elementos semiconductores poseen un importante puesto en el nivel de tecnología actual, pues a través de estos elementos que se ha logrado una integración de circuitos electrónicos (circuitos integrados) sin precedentes en la historia del hombre, como es el caso del micro-procesador de un computador o los integrados presentes en un televisor actual (casi todo se realiza en un único chip). A demás a raíz de esto se ha logrando la implementación de la nanotecnología que en otras palabras se puede decir llegar al límite del mínimo grosor necesario para conducir un átomo a través de un conductor.


FASE 2SIMULACIÓN DE CIRCUITOS

ELECTRÓNICOS


1. Polarización del Diodo Común. Construya los siguientes circuitos y realice su simulación por medio del software Workbench. Explique lo sucedido.

Al polarizar directamente una unión P-N el polo negativo de la batería está inyectando electrones al material N, mientras que el polo positivo recibe electrones del lado P creándose así una corriente eléctrica. Logrando vencer el obstáculo que se había creado por barrera de potencial existente entre ambos materiales. Por lo que los electrones y los huecos pueden pasar libremente a través de la frontera.

Se produce una caída de 0,7 voltios necesarios para lograr la superar de la barrera del diodo (ver la imagen siguiente).


Al polarizar inversamente una unión P-N no hay circulación de corriente alguna.

Esto es porque los huecos libres del tipo P se recombinan con los electrones que proceden del polo negativo de la fuente de energía, y los electrones libres del tipo N son absorbidos por ésta, alejándose tanto huecos como electrones de la unión, haciendo la barrera más grande y no existe un flujo de corriente apreciable.

Existe un voltaje el cual producido por los portadores minoritarios, pero es demasiado pequeña e inapreciable (ver la imagen siguiente).


2. Aplicación del Diodo como Rectificador. Construya los siguientes circuitos y realice su simulación por medio del software Workbench. Anexe al informe las gráficas obtenidas en el osciloscopio. Compare la señal de entrada con la señal de salida. Explique lo sucedido.

a) Rectificador de Media Onda

Al utilizar una fuente de voltaje alterna de forma directa en un diodo, se produce la conducción a través del diodo del semiciclo positivo la cual se puede apreciar en la siguiente imagen. El resultado de este tipo de rectificación (sin

condensador electrolítico) se le conoce como de voltaje pulsante dado que solo se presenta pulsos del voltaje escogido en la polarización (positivo para este caso).

b) Rectificador de Onda Completa con Puente de Greatz


Al utilizar una fuente de voltaje alterna de forma directa en un puente de diodos, se produce la conducción a través de los diodos, pero en este caso se rectifican ambos hemiciclos por lo que la salida a los diodos es mucho más estable (aunque aún sigue siendo pulsante).

Durante un semiciclo conduce un par de diodos y durante el otro semiciclo conduce el otro par de diodos por lo que solo se produce el “hueco” durante el tiempo en que el paso de un semiciclo a otro es inferior a 0.7 voltios que son requeridos para vencer la barrera de potencial en los diodos (se tiene en cuenta 0.7 para diodos de silicio y 0.2 para diodos de germanio).

3. Aplicación del Transistor como Amplificador. Construya el siguiente circuito y realice su simulación por medio del software Workbench. Anexe al informe las gráficas obtenidas en el osciloscopio. Compare la señal de entrada con la señal de salida. Explique lo sucedido.

Tal como se puede apreciar en la imagen (del osciloscopio) el circuito creado amplifica la señal recibida gracias a la polarización que tiene el transistor la cual es de emisor común lo que indica que la señal además de amplificada tiene una desfase de 180 grados


Nota: se tiene en cuenta que la señal del Generador de funciones es una onda seno, de 2 mV de amplitud y 60 Hz.

CONCLUSIONES.

La actividad realizada ha permitido concretar conocimientos teóricos que se han visto reforzados en la práctica de los laboratorios.

La realización de los laboratorios nos provee de una experiencia adicional, como es el ver en función la teoría aprendida.

BIBLIOGRAFIA

http://www.monografias.com/

http://apuntes.rincondelvago.com/trabajos_global/electronica_electricidad_sonido/

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http://es.geocities.com/pnavar2/semicon/index.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo_Varicap

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http://es.geocities.com/pnavar2/semicon/index.htm

Documents

Tc2 Simulador Diodo Rectificador