Laboratorio 1: Circuitos Con Diodos

Universidad de Concepción, Chile.

Ingeniería Civil Biomédica, DIE.

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Laboratorio 1: Circuitos con Diodos (Enero 2017) Fernanda Ignacia Aguilar Soto, Helen Elisa Pino Campos. Ingeniería Civil Biomédica, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Concepción, Chile. Profesores Pablo Aqueveque, Roberto López, Ayudante Maritza Villar

Resumen— En este laboratorio se implementaron cuatro circuitos, de los cuales se observó la respuesta en frecuencia de diferentes diodos, también se comparó el tipo de señal de cada circuito, obteniendose señales de media onda y onda completa. Se observó que tipo de circuitos con diodos rectifican media onda y cual rectifica onda completa. Los resultados obtenidos en forma teórica y práctica fueron comparados, para luego indicar las conclusiones que se obtuvieron.

I. INTRODUCCIÓN n “diodo ideal es un componente discreto que permite la circulación de corriente entre sus terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el sentido contrario”[1]. El diodo “es un dispositivo electrónico semiconductor, generalmente constituido de Silicio dopado, de una juntura PN (formada por unión de una región tipo P y otra tipo N)”[2]. “El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones). Cuando una tensión positiva se aplica al lado P y una negativa al lado N, los electrones en el lado N son empujados al lado P y los electrones fluyen a través del material P mas allá de los límites del semiconductor. De igual manera los huecos en el material P son empujados con una tensión negativa al lado del material N y los huecos fluyen a través del material N” [3]. En este informe se expondrán los resultados tanto prácticos como teóricos al utilizar dos tipos de aplicaciones comunes del diodo, rectificador de media onda y rectificador de onda completa. El “rectificador de media onda (es el circuito más sencillo que puede construirse con un diodo, elimina la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna y la transforma en corriente de salida directa), rectificador de onda completa (es un tipo de circuito que empleará dos o cuatro diodos y a diferencia del anterior convierte la señal de corriente alterna positiva en negativa o viceversa)” [1].

U

II. MATERIALES Y MÉTODOS A. Materiales y equipos     

Generador de Funciones: Gw Instek modelo GFG8216A Multímetro Digital: Meterman modelo 37XR Osciloscopio: Tektronix modelo TDS 1002B Resistencias 1x10 [kΩ], 1x330 [Ω] Diodos 1x1N4007, 4x1N4148, 1x diodo led

 

Microsoft Visio 2010 Software Multisim 13.0

B. Métodos 1) Valores medios para rectificadores de media onda: 𝑉𝑠𝑝𝑒𝑎𝑘

𝑉𝑑𝑐,𝑎𝑣𝑔 = 𝜋 En donde 𝑉𝑠𝑝𝑒𝑎𝑘 es el voltaje peak de la resistencia 2) Valores rms para rectificadores de media onda

(1)

𝑉𝑠𝑝𝑒𝑎𝑘

𝑉𝑑𝑐,𝑟𝑚𝑠 = (2) 2 En donde 𝑉𝑠𝑝𝑒𝑎𝑘 es el voltaje peak de la resistencia 3) Valores medios para rectificadores de onda completa: 2∙𝑉𝑠𝑝𝑒𝑎𝑘

𝑉𝑑𝑐,𝑎𝑣𝑔 = (3) 𝜋 En donde 𝑉𝑠𝑝𝑒𝑎𝑘 es el voltaje peak de la resistencia. 4) Valores rms para rectificadores de onda completa: 𝑉𝑠𝑝𝑒𝑎𝑘

𝑉𝑑𝑐.𝑟𝑚𝑠 = (4) √2 En donde 𝑉𝑠𝑝𝑒𝑎𝑘 es el voltaje peak de la resistencia. 5) Cálculo de decibeles: 𝑑𝐵 = 20 ∙ 𝑙𝑜𝑔

𝑉𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

(5)

Donde 𝑑𝐵 son los decibeles.

III. DESARROLLO 1. Actividad n°1. A. En esta actividad se implementó el circuito de la Figura 1. Luego se midió y calculo en la carga los siguientes valores de voltaje: Vpeak, Vrms, Vpeak-peak y Vmedio. Para los calculos teóricos se utilizo Expresión 1 y Expresión 2. Se midió el voltaje de salida al variar la frecuencia de la señal del generador de funciones en los siguientes valores: 1[Hz], 100[Hz], 1[kHz], 10[kHz], 100[kHz] y 1[MHz]. Véase los resultados en Tabla I y Tabla II. Se consideró la señal del generador de funciones como sinusoidal sin offset. Luego se observó la onda del voltaje de salida Figura 5 y Figura 6. B. En esta actividad se implementó el circuito de la Figura 2. Se realizaron las mismas mediciones descritas en 1.A. Para los calculos teóricos se utilizo Expresión 1 y Expresión 2. Los resultados véase en Tabla III y Tabla IV. Luego se observó la onda del voltaje de salida Figura 7. [4] 2. Actividad n°2.

Universidad de Concepción, Chile. En esta actividad se implementó el circuito de la Figura 3. Luego se midió y calculo en la carga los siguientes valores de voltaje: Vpeak, Vrms, Vpeak-peak y Vmedio. Para los calculos teóricos se utilizo Expresión 3 y Expresión 4. Los resultados de tales mediciones véase en Tabla V. Se comparó las señales de salida del circuito Figura 8 con la señal de salida de la actividad 1.B Figura 7. [4] 3. Actividad n°3. En esta actividad se implementó el circuito de la Figura 4. Se observó el cambio de luminosidad y parpadeo del diodo emisor de luz (LED) al variar la frecuencia (las mismas frecuencias utilizadas en actividad 1). Finalmente se encontró el voltaje de polarización del diodo. Resultados véase en Tabla VI. [4]

Figura 1.Circuito con diodo 1N4007.

Figura 2.Circuito con diodo 1N4148.

Figura 3.Circuito puente rectificador.

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IV. RESULTADOS TABLA I MEDICIÓN DE VOLTAJE A DISTINTAS FRECUENCIAS Frecuencia Vpeak [V] Vrms [V] Vpeak-peak [V] Vmedio [V] [Hz] 1 2.04 771×10-3 2.05 607×10-3 100 2.05 733×10-3 2.05 509×10-3 1×103 2.05 736×10-3 2.1 513×10-3 3 -3 10×10 2.06 736×10 3.12 522×10-3 100×103 2.14 1.45 4.81 210×10-3 100×106 2.19 1.74 4.95 14.710-3 Valores obtenidos en forma teórica en Actividad 1, con diodo 1N4007. TABLA II MEDICIÓN DE VOLTAJE A DISTINTAS FRECUENCIAS Frecuencia Vpeak [V] Vrms [V] Vpeak-peak [V] Vmedio [V] [Hz] 1 2.00 1 2.00 636×10-3 100 1.96 98×10-3 2.00 560×10-3 1×103 1.96 98×10-3 2.56 550×10-3 10×103 100×103 100×106 Valores obtenidos en forma práctica en Actividad 1, con diodo 1N4007. TABLA III MEDICIÓN DE VOLTAJE A DISTINTAS FRECUENCIAS Frecuencia Vpeak [V] Vrms [V] Vpeak-peak [V] Vmedio [V] [Hz] 1 1.94 725×10-3 1.94 607×10-3 100 1.95 734×10-3 1.95 509×10-3 1×103 1.95 734×10-3 1.95 513×10-3 10×103 1.95 732×10-3 1.95 522×10-3 100×103 1.94 733×10-3 1.96 210×10-3 100×106 1.94 736×10-3 2.12 14.7×10-3 Valores obtenidos en forma teórica en Actividad 1, con diodo 1N4148. TABLA IV MEDICIÓN DE VOLTAJE A DISTINTAS FRECUENCIAS Frecuencia Vpeak [V] Vrms [V] Vpeak-peak [V] Vmedio [V] [Hz] 1 1.98 99×10-3 1.98 630×10-3 100 1.88 879×10-3 1.90 527×10-3 1×103 1.90 95×10-3 1.9 604×10-3 10×103 1.96 905×10-3 2.08 521×10-3 100×103 2.00 914×10-3 2.08 553×10-3 100×106 1.96 980×10-3 2.00 623×10-3 Valores obtenidos en forma práctica en Actividad 1, con diodo 1N4148. TABLA V MEDICIÓN DE VOLTAJE TEÓRICO Y PRACTICO Teórico Practico Vpeak [V] 1.4 Vpeak [V] 1.38 Vrms [V] 540×10-3 Vrms [V] 851×10-3 Vpeak-peak [V] 1.4 Vpeak-peak [V] 1.44 Vmedio [V] 655×10-3 Vmedio [V] 696×10-3 Valores obtenidos en forma práctica y teórica en Actividad 2, con diodos 1N4148. TABLA VI MEDICIÓN DE VOLTAJE TEÓRICO Y PRACTICO CON FRECUENCIA DE 100[KHZ] Teórico Practico Vpeak [V] 1.71 Vpeak [V] 1.8 Vrms [V] 1.59 Vrms [V] 1.25 Vpeak-peak [V] 4.2 Vpeak-peak [V] 3.6 Vmedio [V] 655×10-3 Vmedio [V] 0.824×10-4 Valores obtenidos en forma práctica y teórica en Actividad 3, con diodo LED.

Figura 4.Circuito con diodo LED.

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Figura 5. Señal del voltaje de la carga de circuito con diodo 1N4007 Figura 1 a 1[kHz].

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3

Figura 8. Señal del voltaje de la carga de circuito con diodos 1N4148 Figura 3 a 2[kHz].

0 -500000

0

500000

1000000

1500000

Decibeles [dB]

-0.5 -1 -1.5 -2 -2.5

Frecuencia [Hz]

Figura 9. Diagrama de bode de diodo 1N4007. Figura 6. Señal del voltaje de la carga de circuito con diodo 1N4007 Figura 1 a 1[MHz].

0

Decibeles [dB]

-500000

-0.5

0

500000

1000000

1500000

-1 -1.5 -2 -2.5 -3

Frecuencia [Hz]

Figura 10. Diagrama de bode de diodo 1N4148.

V. COMENTARIOS Y CONCLUSIONES Figura 7. Señal del voltaje de la carga de circuito con diodo 1N4148 Figura 2 a 100[Hz].

1. Actividad n°1. En esta actividad se observó que la señal del diodo 1N4007 comienza a fallar a una frecuencia inferior que la del diodo 1N4148 Figura 6. Esto se debe a que el voltaje de polarización del diodo 1N4148 es mayor que el del diodo 1N4007. Ademas se pudo observar que el voltaje peak to peak del diodo 1N4007, comenzó a aumentar debido a que se aumentó la frecuencia, y el voltaje medio disminuía. Se observó que estos dos circuitos eran de media onda, dado que en el semiciclo positivo el diodo esta polarizado en forma

Universidad de Concepción, Chile. directa, en donde el diodo conduce, mientras tanto en el semiciclo negativo el diodo esta polarizado en forma inversa, por lo tanto el diodo no conduce. Al ser estos circuitos de media onda, la frecuencia de salida es la misma que la de entrada. En Figura 9 se puede ver la respuesta en frecuencia del diodo 1N4007 y en Figura 10 se puede ver la respuesta en frecuencia del diodo 1N4148. Se utilizó Expresión 5 para el cálculo de decibeles en ambos diodos. 2. Actividad n°2. Con el circuito de esta actividad se obtiene una señal de onda completa Figura 8, en cambio, en la actividad anterior la señal de salida es de media onda Figura 7. Dado que al utilizar un circuito con un solo diodo, en el semiciclo negativo el diodo esta polarizado en forma inversa, en donde el diodo no conduce (por ser un circuito abierto), en cambio al utilizar cuatro diodos, en ambos semiciclos (positivo y negativo) hay conducción de voltaje. Al ser este circuito de onda completa, la frecuencia de salida es dos veces que la de entrada. 3. Actividad n°3. En esta actividad al variar la frecuencia a una cada vez mayor, el led parpadea más rápido hasta el punto en que la luz pareciera ser constante.

VI. INVESTIGACIÓN Investigación de las aplicaciones más comunes en las que se utilizan los diodos. a) Rectificador. Los diodos se pueden usar para rectificar señales de corriente alterna y transformarla a corrientes positivas o negativas de corriente continua con ayuda de una inductancia. A estos circuitos se les llama rectificadores Figura 11[5]. Una de las aplicaciones clásicas de los diodos rectificadores, es en las fuentes de alimentación; aquí, convierten una señal de corriente alterna en otra de corriente directa. Los diodos rectificadores se usan principalmente en: circuitos rectificadores, circuitos fijadores, circuitos recortadores, diodos volantes. [6] b) Multiplicador de tensión. Otra aplicación que se les da a los diodos es de multiplicador de tensión, el cual está hecho con diodos y capacitores, y sirve para aumentar el voltaje de entrada en forma multiplicativa Figura 12. Mientras más mallas existan, más será el voltaje multiplicado[5]. c) Limitador de voltaje. Nos permite trasformar una señal manipulándola para variar su tipo o sus calores Vpeak o Vpeak-peak. También se les conoce como circuito recortador. Normalmente se aplica a un cierto voltaje a los diodos para que estos permitan la entrada de un poco de corriente antes de mostrar resistencia a la señal. [5] d) Regulador de voltaje o corriente. El valor del voltaje o de corriente de salida se mantiene constate a pesar de las variaciones que existan en el voltaje o corriente de entrada, esto se logra gracias a la característica del diodo Zener, que tiene que usarse polarizado inversamente una tensión o corriente de valor constante. [5] e) Circuito fijador.

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Consiste en manipular la señal de entrada y desplazarla de forma vertical gracias a la variación de incrementación del tiempo con respecto al periodo que producen en conjunto un capacitor, un resistor y un diodo. [5]

Figura 11. Ejemplo circuito rectificador.

Figura 12. Ejemplo circuito multiplicador de tensión.

VII. REFERENCIAS [1]El

diodo [Web en línea]< www.profesormolina.com.ar/tutoriales/diodo.htm> [Fecha de consulta: 26-03-2017]. [2]Pablo Aqueveque, ppt “Diodos”, Electrónica Biomédica (550460) [Fecha de consulta: 25-03-2017]. [3]Diodo semiconductor [Web en línea]< http://unicrom.com/diodosemiconductor/> [Fecha de consulta: 26-03-2017]. [4]Pablo Aqueveque, Roberto López, Laboratorio N°1 “Circuitos con Diodos”, Laboratorio de Electrónica (550461) [Fecha de consulta: 2503-2017]. [5]Diodos [Web en línea] [Fecha de consulta: 25-03-2017]. [6]Aplicaciones de diodos rectificadores [Web en línea] [Fecha de consulta: 25-032017].

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ÍTEM

Máx

Presentación

0.7

Investigación

0.5

Listado de materiales y equipos

0.3

Descripción de actividades, resultados, comentarios y conclusiones

3.0

Simulación computacional

0.5

Diseño y cálculos

0.5

Nota global del informe

0.5

Total

Pje.

5