Diodos rectificadores

DIODOS RECTIFICADORES
OBJETIVOS.− El alumno deberá:
1.1.− Identificar el comportamiento rectificante en un diodo y el comportamiento óhmico en un resistor.
1.2.− Identificar el ánodo (región P) y el cátodo (región N) en un diodo rectificador.
1.3.− Obtener y comparar las curvas características (V − I), de diodos rectificadores de silicio y germanio. En
cada caso, determinar el valor del voltaje de umbral y calcular las resistencias estática y dinámica en la región
directa de conducción; para un punto de operación Q(VD, ID) arbitrario.
1.4.− Observar y reportar las variaciones que se presentan en la curva característica V−I, en el voltaje de
umbral y en la corriente de fuga de los diodos rectificadores cuando varia la temperatura.
1.5. − Contestar y entregar el cuestionario, hacer conclusiones y reportar los datos, gráficas y mediciones
llevadas a cabo durante la realización de esta práctica.
EQUIPO PROPORCIONADO POR EL LABORATORIO
Osciloscopio de doble trazo, Generador de señales y Multímetro digital y/o análogo
MATERIAL REQUERIDO QUE DEBE TRAER EL ALUMNO
DOS DIODOS DE SILICIO 1N4004 O EQUIVALENTE
UN DIODO DE GERMANIO OA81 O EQUIVALENTE
DOS RESISTORES DE 1K A 0.5W
UNA PINZA DE PUNTA, UNA PINZA DE CORTE Y UN DESARMADOR.
CABLES: 6 CAIMAN−CAIMAN, 6 CAIMAN−BANANA, 8 BANANA−BANANA MINIMO DE 50CM
DE LONGITUD
TABLILLA DE CONEXIONES (PROTOBOARD)
4 CABLES COAXIALES QUE TENGAN EN UN EXTREMO TERMINACION BNC Y EN EL OTRO
CAIMANES.
UNA LUPA DE LAS USADAS PARA LECTURA (OPCIONAL).
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Para el buen desarrollo experimental de esta práctica y la obtención de los objetivos de la misma, será
requisito indispensable que el alumno presente por escrito, en forma concisa y breve los siguientes puntos
sobre el diodo rectificador y el resistor:
Símbolo, esquema típico de uniones (para el caso de los diodos), modelo matemático, modelo gráfico (curva
característica V−I), comportamiento rectificante, comportamiento resistivo, principales parámetros, su
1
definición y bibliografía.
El profesor a su vez, deberá revisar que el alumno cumpla con la tarea previa marcada en los temas del punto
anterior, así como, que se presente al laboratorio con los circuitos correspondientes debidamente armados tal
como se indica en el desarrollo de esta práctica, de no satisfacer estas indicaciones el alumno no tendrá
derecho a quedarse en el área de laboratorio y se le considerará como falta de asistencia al mismo.
• Identificar el comportamiento rectificante de un diodo y el comportamiento óhmico de un resistor
• Armar el circuito mostrado en la figura 1.1. Colocar primero el diodo rectificador y observar el
comportamiento de este elemento en el osciloscopio (en modo XY), en la figura 1.2−a, dibujar la gráfica
que se obtiene. En seguida quitar este elemento y colocar el resistor, nuevamente observar y dibujar la
gráfica correspondiente la figura 1 .2−b.
I (mA)
a) b)
Figura1.1 a) Circuito propuesto para observar el comportamiento rectificante de un diodo y el
comportamiento óhmico de un resistor. El voltaje pico de la señal de excitación puede elegirse entre 5 y 15V y
la frecuencia entre 60 y 1KHz.
b) Gráficas (características eléctricas) que muestran el comportamiento rectificante de un diodo y el
comportamiento óhmico de un resistor.
a) Gráfica del elemento rectificante (diodo) b) Gráfica del elemento óhmico
(Resistor)
2
Figura 1.2.−Gráficas que se obtienen en el osciloscopio para el circuito 1.1, donde; V es el voltaje en el
elemento bajo prueba medido en el canal 1 del osciloscopio (canal X), e I es la corriente que circula en el
elemento (corresponde al voltaje en la resistencia muestreadora dividido entre el valor de esta resistencia),
medida en el canal 2 (canal Y) del osciloscopio.
• Distinguir el comportamiento rectificante del comportamiento óhmico para diferentes elementos
electrónicos, mediante el uso de un multímetro en su función de óhmetro.
Cuando un multímetro en su función de óhmetro, se usa para identificar las terminales de un dispositivo,
requiere que se conozca previamente cual de sus terminales es positiva (voltaje de la batería interna del
mismo) y cual de ellas es la negativa, ya que en base a esto, podremos saber cuándo un par de terminales de
algún dispositivo, se polariza directa o inversamente y de esta manera conocer en forma indirecta el tipo de
regiones semiconductoras (P o N), que dicho dispositivo contiene entre esas terminales. Para saber cual
terminal es la positiva y cual la negativa en el óhmetro, use un multímetro en su función de voltímetro, tal
como se ilustra en la figura 1.3.
Figura l.3.− Circuito equivalente de un óhmetro analógico y la forma de medir cual terminal es positiva y
cual es negativa
Después de realizar las mediciones que se indican en la figura 1.3, lleve a cabo las mostradas en la figura 1.4 y
reporte las lecturas que se indican en la tabla 1.1. Para este punto se recomienda al alumno el uso de un
multímetro analógico y que elija la misma escala para la realización de todas las mediciones que haga, con el
fin de que pueda hacer una adecuada comparación entre las lecturas tomadas.
a) Diodo bajo prueba. b) Resistencia bajo prueba.
Figura 1.4.− Mediciones que permiten identificar con la ayuda del óhmetro, el comportamiento rectificante
(diodo) y el comportamiento Óhmico (resistencia).
TABLA 1.1
MEDICIONES DE RESISTENCIA REALIZADAS CON EL OHMETRO PARA EL CASO DE UN
RES1STOR Y UN DIODO REC1TFICADOR
ELEMENTO BAJO PRUEBA
RESISTENCIA MEDIDA
RESISTENCIA MEDIDA
ENTRE LAS TERMINALES ENTRE LAS TERMINALES
3
DIODO
(COMPORTAMIENTORECTIFICANTE)
RESISTOR (COMPORTAMIENTO
ÓHMICO)
T1(+) Y T2(−)
T1(+) Y T2(−)
1.3 m
"
985
985
1.2.− Identificar el ánodo (región P) y el cátodo (región N) en un diodo rectificador.
Para la identificación de las terminales de un diodo rectificador, se pueden emplear diferentes métodos, se
sugiere que se haga usando un óhmetro analógico y se llene la tabla 1.2. Debido a que un diodo rectificador
presenta comportamiento rectificante, si el ánodo se polariza con voltaje positivo (mayor al voltaje de umbral)
con respecto al cátodo, el diodo conduce corriente apreciable, comportándose como una pequeña resistencia (a
esto se conoce como polarización directa) y cuando se invierte esta polaridad en el diodo, la corriente que
circula es despreciable, comportándose como una resistencia muy grande (polarización inversa). Tomando en
cuenta estos conceptos, la polarización del óhmetro y las mediciones de la Tabla 1.1, es posible saber en cual
terminal esta la región semiconductora P (ánodo) y en cual terminal esta la región N (cátodo) de un diodo
semiconductor.
TABLA 1.2
MEDICIONES DE RESISTENCIA EN UN DIODO DE SI Y EN UNO DE GE, POLARIZADOS DIRECTA
E INVERSAMENTE USANDO LA PILA INTERNA DEL OHMETRO.
DIODO
SILICIO 1N4001 O
EQUIVALENTE
GERMANIO OA81 O
EQUIVALENTE
RESISTENCIA MEDIDA ENTRE
LAS TERMINALES A(+) Y K(−)
RESISTENCIA MEDIDA ENTRE
LAS TERMINALES A(−) Y K(+)
1.3 M
5.4K
"
"
Mediante las mediciones reportadas en la tabla 1.2, diga ¿ cuál de las terminales (T1 T2) corresponden al
cátodo y cuál al ánodo?. En la figura 1.5, dibuje con detalle la forma física y las indicaciones (letras, números,
rayas, etc.) de cada uno de los diodos, indicando cual de las terminales es el ánodo y cual el cátodo.
AKAK
IN4004 0A81
Figura 1.5 Dibujos de la presentación física e indicaciones de los diodos 1N4004 y OA81.
1.3.−Obtener y comparar la curva característica (V−I), de un diodo rectificador de silicio y uno de
germanio. En cada caso, determinar el valor del voltaje de umbral y calcular la resistencia estática y
dinámica en la región directa de conducción, para un punto de operación Q(VD, ID) arbitrario.
4
Armar el circuito de la figura 1.6, colocar las terminales del osciloscopio como se muestra (usándolo en su
modo XY) y obtener la curva característica V−I, primero para el diodo de silicio y posteriormente para el
diodo de germanio, reportar ambas gráficas en la figura 1.7, asimismo, llenar la tabla 1.3 con los datos
solicitados.
I (mA)
a) b)
Figura 1.6.− a) Circuito propuesto para obtener la curva característica de los diodos. El voltaje pico de la
señal de excitación, puede estar entre 5 y 15V y la frecuencia entre 60 y 1KHz b) Curva característica de un
diodo de Silicio y de un diodo de Germanio.
a) Curva característica V−I, diodo b) Curva característica V−I, diodo de Ge
Figura 1.7.− Gráficas para el diodo de Si y el de Ge, que se obtienen en el osciloscopio usando el circuito 1.6.
TABLA 1.3
MEDICIONES DE VOLTAJE DE UMBRAL Y DE VOLTAJE − CORRIENTE PARA EL PUNTO DE
OPERACION MAXIMO QUE PERMITE EL CIRCUITO 1.6, PARA EL DIODO DE Si Y PARA EL
DIODO Ge A TEMPERATURA AMBIENTE.
DIODO BAJO
PRUEBA
VOLTAJE DE
VOLTAJE
CORRIENTE
UMBRAL
MÁXIMO MEDIDO MÁXIMAMEDIDA EN LA
MEDIDO EN (V) EN LA CURVA EN CURVA EN (mA)
5
(V)
SILICIO 1N4001 O
.44V
EQUIVALENTE
GERMANIO OA81 O
.22V
EQUIVALENTE
.55
9.6mA
.35V
8.4mA
1.4.− Observar y reportar las variaciones que se presentan en la curva característica, en el voltaje de
umbral y en la corriente de fuga de los diodos rectificadores cuando aumenta la temperatura ambiente.
1.4.1 Utilizando el mismo circuito de la figura 1.6, acercar un cerillo encendido (por un tiempo no mayor a 5
segundos) al diodo de prueba y reportar en las mismas figuras 1.7 (en otro color de tinta) lo que observa. En
esta medición también puede usar una pistola de aire caliente , ya que tiene la ventaja de aumentar la
temperatura del dispositivo en forma mas uniforme y con menor peligro de daño para el diodo
1.4.2 Para el diodo de silicio aumente la temperatura ambiente acercando el cerillo encendido el tiempo que
sea necesario para que observe como la curva característica del dispositivo se modifica al grado de que el
diodo se comporta como una resistencia de algunos cuantos ohms (al aumentar la temperatura el voltaje de
umbral disminuye y la corriente de saturación inversa crece, si este aumento de temperatura es considerable
puede hacer que el diodo se comporte casi como un corto circuito). Después de observar esto, retirar el cerillo
encendido y esperar que el diodo recupere su característica normal. Puede suceder que el diodo ya no se
recupere. esto significa que ha quedado dañado definitivamente, en el caso de que si se recupere, es preferible
ya no utilizarlo en otras aplicaciones, debido a que en la mayoría de los casos en que se presentan estos
calentamientos excesivos el dispositivo queda con algunas alteraciones que pueden dar problemas en el
momento de su aplicación en otro circuito.
1.4.3 Con el diodo que ha quedado dañado o afectado por el aumento de la temperatura, usando sus pinzas con
todo cuidado, rompa su encapsulado y observe usando una lupa como esta construido internamente.
1.5.− Contestar y entregar el cuestionario, hacer conclusiones y reportar los datos, gráficas y
mediciones llevadas a cabo durante la realización de esta práctica.
1.5.1 Para la figura 1.1 ¿ Cuál de los dos elementos es el que presenta comportamiento rectificante y cual el
que presenta comportamiento resistivo. Explique porqué.
El elemento que rectifica es el diodo, y el que presenta el comportamiento resistivo es el resistor. Esto se debe
a que el diodo está fabricado de tal forma que cuando se le polariza de manera directa, se comporta como un
conductor con un pequeño voltaje de umbral para ésta conducción y cuando lo polarizamos de manera inversa
y no rebasamos el voltaje inverso pico, éste se comportará como un aislante. (De ahí el nombre de
semiconductor). Cuando se le aplica un voltaje a un resisitor, este siempre presentará una oposición al paso de
la corriente independientemente del sentido de circulación de la misma a través de este elemento de circuito,
debido a que está fabricado con carbón con el único objetivo de oponerse a la circulación de corriente en
función del grado de concentración del mismo sin afectar, como ya se mencionó, el sentido de circulación de
la corriente.
1.5.2 En una gráfica (V−l), dibuje el comportamiento de dos elementos resistivos, uno con valor de 1K y
otro con valor de 22K
Gráfica para un resistor de 1K Gráfica para un resistor de 22K
6
1.5.3 Para el circuito de la figura 1.1, determine ¿cuál sería la corriente máxima que podría tenerse en el
circuito si usa un voltaje pico de 10V y una resistencia muestreadora de 100 ohms?
De la ley de ohm, tenemos:
1.5.4 Establezca método general para identificar un diodo (comportamiento rectificante) de una resistencia
(comportamiento resistivo), usando un óhmetro (ver figura 1.4 y tabla 1.1).
Para poder identificar en ánodo y el cátodode un diodo utilizando un óhmetro, bastará con poner en contacto
las terminales del diodo con las puntas del óhmetro y observar la lectura en la carátula; si presenta una
resistencia en el orden de algunos mega ohms, será porque lo polarizamos directamente y podremos así
relacionar el ánodo y el cátodo. El ÁNODO corresponderá a la terminal que está conectada en nuestro
instrumento de medición en la entrada de ohms (), y el CÁTODO será el que esté conectado a la punta de
nuestro óhmetro en la entrada común (COM).
Si conectamoe el diodo a nuestro medidor con las pontas invertidas, entonces nos mostrará una lectura con
una resistencia infinita, de ésta forma invirtiendo la lógica anterior, también podremos saber cuáles son el
ánodo y el cátodo.
1.5.5 Investigue de que otra forma se puede identificar el ánodo y el cátodo de un diodo usando los
multimetros digitales, explique.
En los multímetros digitales actuales (FLUKE, PROAM, BK PRESICION, Y−F, etc.) es común encontrar
dentro de sus funciones una que nos permite conocer la cantidad de voltaje que consume una unión P−N, a
ésta función se le conoce como probador de diodos. Cuando conectamos entre las terminales de nuestro
multímetro un diodo, si la punta roja la ponemos con el ánodo y la punta negra la unimos al cátodo, la pantalla
nos estará indicando la caída de voltaje en la unión P−N en su forma de polarización directa, esto es un voltaje
aproximado a .7v para los diodos fabricados con Si y .3V para los de Ge. (En la realidad pocas veces se
encuentra un semiconductor que presente una caída de voltaje cercana a su valor teórico, generalmente se
tiene una caída de voltaje del orden de .55 V para el Si y .25 V para el Ge.). Si ahora conectamos nuestro
diodo haciendo coincidir la terminal roja de nuestro multímetro con el cátodo y la terminal negra con el
ánodo, la pantalla se mostrará sin cambio con respecto de tenerlo sin conectarle ninguna terminal, debido a
que la resistencia que estará presentando nuestro diodo es infinita y por lo tanto la caída de voltaje entre las
terminales no cambia al conectar o no nuestro elemento.
1.5.6 Cuando se polariza directamente un diodo con un voltaje menor al voltaje de umbral, ¿De qué orden
espera medir el valor de la resistencia equivalente que presenta el diodo?.
Las condiciones que plantea la pregunta no permite conocer el valor óhmico de la unión P−N, debido a que un
óhmetro generalmente es alimentado con una batería de por lo menos 3V, voltaje suficiente de ruptura para
hacer entrar en conducción en polarización directa a cualquier diodo. Pero si analizamos la condición
planteada podemos deducir que si el voltaje de umbral no es rebasado por el voltaje de polarización de nuestro
diodo, aunque la polarización de éste se haga de manera directa el diodo no entrará en conducción y por lo
tanto presentará una resistencia infinita.
1.5.7 Determine el valor de la resistencia estática en la región directa de conducción (para el punto de
operación con corriente de 2mA) tanto para el diodo de silicio como para el de germanio, indique ¿cuál de los
dos presenta mayor resistencia estática? (usar los resultados de la figura 1.7).
La resistencia estática de un diodo se define como: La oposición al flujo de corriente que presenta un diodo
cuando se le aplica un valor determinado de voltaje
7
Para obtener el valor de la resistencia estática, bastará con localizar el punto en la gráfica de la curva
característica del diodo en cuestión, cuyas coordenadas son (Vd, Id ) y con estos valores determinar su valor
de resistencia estática, como sigue:
De la ley de ohm tenemos:
Para el Silicio Para el Germanio
Es evidente que el Silicio tiene una mayor resistencia estática que el Germanio, Este resultado no sorprende ya
que es sabido que los diodos de Germanio entran en conducción con menos voltaje que los de Silicio.
• Determine el valor de la resistencia dinámica en la región directa de conducción (para el punto de la gráfica
en que la corriente es de 2mA), tanto para el diodo de silicio como para el de germanio y diga ¿cuál de ellas
es mayor? usar los resultados de la figura 1.7.
La resistencia dinámica de un diodo, la podemos calcular de la gráfica de su curva característica estableciendo
un punto de referencia (llamado Q) para la corriente, después trazamos una recta tangente al punto Q y
definimos dos puntos equidistantes de la misma magnitud que la de la corriente del punto Q, después
localizamos los puntos de intersección para el voltaje en éstos valores de corrientes y a ellos se le llamarán y ,
con éstos obtendremos la cantidad de voltaje y corriente implicada en la resistencia dinámica, obteniendo
finalmente la resistencia dinámica como sigue:
D Para el diodo de Si:
Donde:
VDMÁX − VDMIN Para el Ge:
IDMAX − IDMIN
D=Resistencia Dinámica
1.5.9 ¿Qué parámetro se debería de modificar en el circuito de la figura 1.6, para poder observar el voltaje de
ruptura de los diodos rectificadores?
Si ponemos en nuestro circuito de la figura 1.6 una fuente de voltaje con amplitud variable desde 0V hasta
10V, y observamos en el osciloscopio las gráficas generadas, podremos ver como crece la curva de
conducción de los diodos conforme vamos aumentando la amplitud de el voltaje de entrada
1.10 ¿Como es el coeficiente de temperatura del voltaje de umbral de un diodo rectificador?.
A medida que se incrementa la temperatura del diodo rectificador 1N4004, el voltaje de umbral se va
acercando a cero, por lo que se dice que el coeficiente de temperatura afecta de manera significativa al este
voltaje
1.11 ¿Cómo es el coeficiente de temperatura de la corriente de fuga de un diodo rectificador?.
Para el caso de los diodos de Si, la corriente de fuga será más estable con el incremento de la temperatura que
para los diodos de Germanio.
8
1.12 Explique a que se debe la variación, en la corriente de fuga de un diodo rectificador cuando se eleva la
temperatura.
Cuando se incrementa la temperatura en el cuerpo del diodo rectificador, los electrones de los materiales N y
P comenzarán a liberarse desmesuradamente de su estructura molecular a causa del exceso de energía que
están absorbiendo del calor, provocando esto una conducción en la polarización directa e inversa; Es a esto
que se debe el comportamiento de un diodo rectificador como resistor cuando se aumenta la temperatura en su
cuerpo.
CONCLUSIONES
El desarrollo de ésta práctica fue muy interesante y productivo, ya que me permitió conocer de una manera
teórica−practica el porqué del comportamiento de los diodos en los diferentes sistemas electrónicos que lo
utilizan. anterior a éste trabajo, me era desconocido como afectaba directamente el calor a los diodos, pensaba
en muchas posibilidades pero no sabía a ciencia cierta que era lo que realmente ocurría cuando por un exceso
en la demanda de la corriente , el diodo se ponía en corto dañando a todo el sistema. También pude observar
como es que los pulsos negativos que no debería de conducir durante la polarización inversa del diodo, pasan
por éste como si fuera un conductor y dañan así por ejemplo el capacitor de filtraje de una fuente y por
consecuencia los sistemas conectados a ésta fuente.
Cabe destacar la importancia de un buen diseño en las fuentes de alimentación para evitar que tengamos un
consumo no apropiado por los diodos de nuestra fuente y por esta causa se pongan en corto y originen los
problemas ya mencionados
9