CARACTERISTICAS DEL DIODO DE UNION

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EXPERIMENTo
I
3
CARACTERISTICAS
DELDIODODE UNION
rNFoRMncl6n eAstcl
Semiconductores
Los semiconductoresson s6lidos cuya resistividad esti{entre la de los conductoresel6ctricos y la de los aislantesel6ctricos. Los transistores.los diodos de uni6n, los diodos Zener, los diodos de tfnel, los circuitos integradosy
los rectificadores met6licos son ejemplos de semiconductores.Estos se emplean en computadoras,receptoresde radio, aparatosde televisi6n, videograbadorasy otros aparatoselectr6nicos.
Mediante dispositivos semiconductoresse llevan a cabo diversas funciones de conhol. Pueden utilizarse como rectificadores, amplificadores,
detectores,osciladoresy elementosde conmutaci6n.Algunas caracterfsticas
propias de los semiconductoresque los convierten en uno de los miembros
favoritos de la familia electr6nica son las siguientes.
l. Los semiconductoresson s6lidos. por ello, es muy poco probable que
vibren.
2. Los semiconductoresconsumen poca energ(ae irradian poco calor. No
requieren tiempo de calentamientoy empiezan a funcionar en cuanto se
les suministraenergia.
3. Los semiconductoresson fuertes y se pueden configurar para que per_
manezcanherm6ticos ante las condiciones del medio externo. Junto con
su tamaflo reducido (figura 1-l), estascaracteristicaspermiten que grandes circuitos ocupen un espacio minimo.
E X P E R I M E N T O
I
T
I pulgada
I
9-o'
(O* v
+{el
Figura1-1.Untransistor.
@*-
e impurezas
Materialessemiconductores
i
El silicio y, en menor grado, el gennanio, son los materiales
con los que actualmente se construyen los dispositivos semiconductores.Predomina el silicio, por ser menos sensible
al calor.
Antes de fabricar con ellos materiales semiconductores
eficientes, el germanio y el silicio deben sometersea un
proceso de alta purificaci6n. En su estado original, la conductividad de estos semiconductoreses muy baja; es decir,
su resistividades elevada.Paraaumentarla conductividaddel
germanio y del silicio se afladen cantidadesminfsculas de
"impurezas". La adici6n de diversascantidadesy vaciertas
riedadesde impurezas,o contaminaci6n, modlfrca la esffuctura del enlaceelectr6nico de los 6tomosde estoselementos,
y les proporcionan portadoresde corriente que aumentansu
conductividad.
Impurezastales como el ars6nicoy el antimonio aumentan la conductividad del silicio al incrementarla cantidad de
portadores(electroneslibres) de carga negativos (N). Debido a lo anterior, el silicio contaminado con ars6nico o con
antimonio se conoce como tipo N, El silicio tipo N contiene
algunas cargaspositivas (huecos), pero son la minoria y se les
conoce como portadores minoritarios. Se puede considerar
que el flujo de corriente en el silicio tipo N se porta por los
elecfroneslibres, que son los portadores tnayoritarios.
Impurezas tales como.el indio y el galio elevan la conductividad del silicio mediante el incremento del nfmero de
portadores de carga positivos (P, huecos). El silicio contaminado con indio o con galio se conoce como tipo P. El silicio tipo P contiene algunos electroneslibres, pero se trata
de portadoresminoritarios. Se puede considerar que el flujo de la corriente en el silicio tipo P se lleva a cabo mediante huecos,que son portadores'mayoritarios.
Los huecos sienten atracci6n por los electrones libres.
"encontrar" un electr6n libre y un hueCuando se llegan a
"llena" el hueco y neutraliza su carga. Se di
co, el primero
ce que el electr6n libre se ha combinado con el hueco.
Durante este proceso, tanto el hueco como el electr6n libre
se pierden como porCadoresde corriente. Mientras sucede lo
anterior, tambidn se est6n formando nuevos portadores de
corriente en otras partes del semiconductor.
El movimiento de los portadores de corriente se puede
controlar aplicando un vohaje de una bateria externa, V*,
de electroneslibresy huecosen un mateFigura 1-2.Movimiento
rialtipo P.
en el semic.onductor(figura I-2).La terminal positiva de
V* repele a los huecos del silicio tipo P que se desplazan
hacia la terminal negativa. Los electroneslibres entran al silicio procedentesde la terminal negativa de Voay se desplazanhacia los huecos. Se llevan a cabo combinaciones de
electrones libres y huecos. Al tiempo que se forman estas
combinaciones,se liberan mds electronesy huecosm6viles
en el silicio, a partir de un par electr6n-hueco.Los electrones liberados se desplazanhacia la terminal positiva de la
bateria y los huecoshacia la terminal negativa de la baterfa'
Continfan las recombinacionesy liberaciones; de esta manera se mantiene un flujo de corriente constante en el circuito externo.
Funcionamiento de un diodo de uni6n semiconductor
Cuando se unen silicios tipo P y tipo N como se muestra
en la figura 1-3, se forma un diodo de uni6n. Este dispositivo de dos elementos tiene una caracteristica fnica: la capacidad para permitir el paso de la corriente s6lo en una
direcci6n.
Al conectar la terminal negativa de la baterfa al silicio
tipo N y la terminal positiva al silicio tipo P el resultado es
un flujo de corriente que se conoce corno polarizaci6n directa.Los electronesy los huecos se desplazan,al ser repe-
Figura1€. Diodode uni6n.
c A R A C T E R i s T I c A SD E L D I o D o D E U N I o N
I
lp
I
v
E40
Figura 1-4. Efectode la polarizacidninversaen un diodode uni6n.
o
Figura 1-5. Simbolodel eircuitoque representaun diodo semiconductor.
:lidos, en direcci6n a la uni6n PN, en donde se recombinan
paraformar cargasneutralesy son reemplazadospor los electroneslibres (cargasnegativas)de la bateria.Este movimiento de cargasmantiene una elevada corriente directa a travds
del diodo en forma de electroneslibres que pasandel material N, por la uni6n y el material P, a la terminal positiva de
la bateria. Dado que hay flujo de corriente a trav6s de esta
conexi6n, se dice que el diodo tiene resistenciadirecta baja.
La conexi6n parala polarizaci6n inversa se muestra en
la figura l-4.La terminal positiva de la bateria atraea los
electroneslibres del silicio tipo N, y los sacade la uni6n PN.
La terminal negativa de la bateria atraea los huecosdel silicio tipo P, y los sacade la uni6n PN. Por lo tanto' no existe
la combinaci6nde electroneslibres y huecos.Entonces,los
portadoresde corriente mayoritarios del diodo no producen
un flujo de coniente. En el casode estaconexi6nde polarizaci6n inversa,existeuna corrienteminrisculaen el diodo. Esta corriente se debe a los portadores minoritarios, es decir,
los huecosdel tipo N y los electronesdel tipo P. En el caso
de los portadoresminoritarios, la polaridad de la bateria es
correcta y permite el flujo de corriente. Como resultado de
los portadoresminoritarios, s6lo se obtiene un flujo de unos
microampers.Lo anterior se indica mediante las flechas
punteadasde la figura l-4.La conexi6nde polarizaci6ninversaproduceuna resistenciainversaelevadaen el diodo.
La figura l-5 es el simbolo de circuito de un diodo de
"6nodo" (represemiconductor.La terminal marcada como
sentadapor la punta de flecha) est6 conectadacon el ma"cdtodo" estd
terial tipo P, y la que est6 seflaladacomo
conectadaal material tipo N. Para que haya flujo de corrien-
0.2
0.4 0.6
v (vi
0.8
1.0
Figura 1-5. Caracteristicasvolt-ampers en polarizaci6ndirecta de
un diodo de uni6n de silicio.
te en este diodo, la terminal positiva de la bateria debe estar en el 6nodo y la terminal negativa en el c6todo en una
configuraci6nde polarizaci6ndirecta.
Caracteristicade voltaie y corriente
en directa
La caracteristicade voltaje y corriente (caracteristicasvoltamper) se representaen una gtilfica que muestra la variaci6n de la corrienteen dicho diodo en relaci6ncon el voltaje
aplicado.Paradeterminarlo anteriorde maneraexperimental, se mide la corriente de diodo correspondientea una cantidad sucesivade voltajes cada vez mayores y se traza una
grilflca de la corriente en funci6n del voltaje. El estudiante
observardque hay muy poco flujo de corriente en el diodo
cuandoel nivel de voltaje aplicadoes bajo. Por lo tanto,para una polarizaci6ndirectamenor a los 0.7 volts (V), el diodo de silicio atraepoca corriente.En el casode voltajesde
polarizaci6ndirecta iguales o mayoresque 0.7 V el diodo
se activa y permite el flujo de la corriente.Asimismo, para
valores mayores de 0.7 V un pequefroaumento del voltaje
de polarizaci6ndirectada por resultadoun incrementoconsiderableen la corriente del diodo. En la figura l-6 se muestra
la caracteristica volt-corriente en polarizaci6n directa tipicasde un diodo de silicio.
E X P E R I M E N T O I
-C6mo identificar el Snodoy el cdtodode un diodo
OHMETRO
A
B
Por lo general,el c6todode un diodo se indica medianteuna
banda circular. Si el diodo no est6 marcado, es sencillo determinar cu6l es el 6nodo y cu6l es el c6todo con una verificaci6n en la resistencia.Primero se determinala polaridad
de las puntas de conexi6n del 6hmetro con un voltimetro
conectadoa las terminalesdel 6hmetro.A continuaci6nse
determinala posici6n de las puntasde conexi6ndel 6hmetro que mide la resistenciadirecta del diodo. En estaposici6n, la punta de conexi6n positiva del 6hmetro se conecta
con el Snodoy la negativacon el cdtodo.
Figura1-7.Polaridad
de laspuntasde conexi6n
de un 6hmetro.
El voltaje de activaci6n en polarizaci6n directa de los
diodosde silicio tiene un valor caracteristicode 0.7 V. En el
casode los diodos de germanioes de 0.3 V.
Cuando el diodo tiene polarizaci6ninversa,la pequefla
corriente producida por los portadores minoritarios permanece relativamenteconstante,es decir, independiente
del voltaje de polarizaci6n,hastaque se llega a cierto valor de
voltaje.Despu6sde estenivel segurode polarizaci6ninversa se produce un fen6meno conocido como ..rupturade avalancha", cuando se presentauna corriente de sobrecarga
fuerte,la cual puededestruirel diodo. por ello, es necesario
que 6ste funcione dentro de lfmites seguros, normalmente
especificadospor el fabricantecomo voltaje directo m6ximo (Vry) y voltaje inverso m6ximo (V^r). Tamb.i6nse especifica la corrientedirecta pico (Irr).
Mdtodopara probar un diodosemiconductor
con un
6hmetro
La verificaci6nde resistenciaes un m6todo algo burdo para probar el funcionamientode un diodo semiconductor.
Como se recordard,la polaridadde las terminalesde la bateria de un Shmetroapareceen las puntasde conexi6n.En
la figura 1-7, la punta A es positiva y la punta B es negativa. Al probarcon un 6hmetroun diodo cuyo funcionamiento es normal se encuentraque la resistenciadirectade dicho
diodo es baja y que la resistenciainversaes elevada.por lo
tanto, si la punta de conexi6npositiva del 6hmetro (A en la
figura l-7) se conectaal 6nododel diodo y la puntade conexi6n negativa(B) al c6todo,el diodo estar6polarizadodirectamente.La corrientefluird y el diodo medirii una resistencia
baja. Por otra parte, si se invierten las puntasde conexi6n
del 6hmetro,el diodo estariipolarizadoinversamente.Fluye pocacorrientey el valor de la resistenciadel diodo es elevado. Si un diodo semiconductorpresentauna resistencia
directamuy baja y una resistenciainversabaja,es probable
que est6 dafrado(fundido). Por otra parte, una resistencia
directaextraordinariamente
alta o infinita, indicaque el diodo est6abierto.
Funci6nohms de bajo voltaiede un
5hmetro
La bateria de un 6hmetro no electr6nico, como el de la figura l-7 , es de 1.5 V o mds. Por lo tanto, es capazde polarizar directamenteun diodo de uni6n de silicio con un valor
mayor que los 0.7 V necesariospara la conducci6n.De manera similar, puedepolarizar un diodo de uni6n de germanio
a miis de los 0.3 V necesariospara la conducci6n.por esto
es posiblellevar a cabo pruebasen diodos semiconductores
con un 6hmetro. Sin embargo,en la localizaci6nde fallas
de algunoscircuitos semiconductoresse utilizan 6hmetros
electr6nicosde baja potencia (LP), en los cualesel voltaje
de punta de conexi6n es menor a 0.7, e incluso 0.3 V. La
funci6n correspondientea ohms de baja potencia(LpO) de
este tipo de 6hmetro no sirve para medir la resistenciadirecta de un diodo, ni puedeidentificar el 6nodoo el c6todo
de un diodo. Por fortuna, el fabricante proporciona,ademiis de la funci6n ohms de baja potencia. una funci6n para ohms normales.Las pruebasde resistenciade un diodo
semiconductorse llevan a cabo mediantela funci6n ohms
normalesdel 6hmetro.
Primeraaproximacion......
iQu6 hace un diodo? Conduce bien la corriente en direcciSn directay mal en la direcci6ninversa.En esencia,idealmente un diodo funciona como conductorperfecto(voltaje
cero) cuandotiene polarizaci6ndirecta y como un aislante
perfecto(corrientecero) si tiene polarizaci6ninversa(figura l-8). A esta primera aproximacidnde un diodo se le conoce como diodo ideal. Representauna manerasencilla y
rdpida de analizarlos circuitos de diodos.
Por ejemplo, el diodo de la figura l-9a) tiene polarizaci6n directa.En una primera aproximaci6nactfiacomo un
corto circuito. Por lo tanto, la corrienteque pasapor el diodo es
cARAcrERisrtcns
POLARIZACION
EN DIRECTA
o---+----€
_
D E L
D I O D O
D E
U N I O N
POLARIZACION
EN INVERSA
CERRADO
ABIERTO
o----Df--------€_ _ J H
#
tc)
(a)
c) polarizaci6ninversa
Figura 1-8. Diodo ideal:a) gr6fica;b) polarizaci6ndirecta;
2ka
2ka
Figura 1-9. Primeraaproximaci6n:a) l= 5 mA; b) I = 0 mA.
,: #:5mA
(1.1)
Por otra parte, el diodo de la figura I-9b) tiene polarizaci6n inversa. Idealmente se trata de un circuito abierto, por
1oque la corriente que circula por 6l es de 0.
Segundaaproximaci6n......
Para que un diodo de silicio conduzcarealmentebien es necesario que haya por lo menos 0.7 V. Cuando la fuente de
voltaje es grande,0.7 V es una cantidad muy pequeflacomo
para tener algrin efecto. Pero si Ia fuente de voltaje no es tan
grande,entonceshay que tomar en cuenta los 0.7 V.
En la figura 1-10a) se muestra la grdfica conespondiente a la segundaaproximaci6n.Se puedeobservarque la co-
rriente no fluye sino hasta que aparecen0.7 V en el diodo.
A partir de estemomento el diodo se activa. Sin importar la
corriente directa, s6lo se permite una cafda de voltaje de
0.7 V en el diodo de silicio. (Para los diodos de germanio,
utilice un valor de 0.3 V.) Por cierto, el valor de 0.7 V se co"codo".
noce como voltaje de barrera o de
La figura 1-10b) es el circuito equivalentede la segunda aproximaci6n. En este caso el diodo debe considerarse
como un interruptor conectado en serie con una bateria de
0.7 V. Si el voltaje fuente que alimenta al diodo rebasaal
voltaje de contratensi6n,se cierra el interruptor y el voltaje
del diodo es igual a 0.7 V.
Como ejemplo se utilizar6 la segunda aproximaci6n
para el caso del diodo de la figura I-9a). El voltaje de la
fuente es suficientepara rebasarel voltaje de codo. Por lo
tanto, el diodo tiene polarizaci6n directa y la corriente es
igual a
t: !i#4:465
(r.2)
Si la polarizaci6ndel diodo es inversa,como en la figura l-9b),la segundaaproximaci6nsigue dando un valor de
corriente igual a cero.
Resistenciamdsica
Para valores superiores al voltaje de codo, la corriente del
diodo aumentacon rapidez; un pequeflo aumentodel voltaje del diodo provoca un aumentoconsiderableen la corriente del diodo. Una vez superadoel voltaje de contratensi6n,
SEGUNDA,
APROXIMACION
lal
mA
lbl
directa.
de la polarizaci6n
b) circuitoequivalente
a) gr6tica;
Figura1-10.Segundaaproximaci6n:
E X P E R I M E N T O I
tal
a 1 V.
Figura 1-11.a) Resistenciamdsica;b) corrientedirectacorrespondiente
TERCERA.
APROXIMACION
"-)i<_
t
VD
o.j
I
I
vs
10v
I
r 8 l
o--o--c---.ltl l-4nn/_{
+f
vo
r8
7 . 59
{tr)
\a)
a) gr6fica; b) equivalenteen polarizaci6ndirecta; c) ejemplo.
Figura1-12. Terceraaproximaci6n:
lo rinico que se opone a la corriente del diodo es la resistencia de las regiones P y N, representadaspor rp y r" en la figura 1-11. La sumade estasresistenciasse llama resistencia
mdsica del diodo. Usando literales
16= rp*
rp
(1.3)
El valor caracterfsticode rrvaria entre I y 25 ohms (O).
El cdlculo de la resistenciam6sicade un diodo de silicio sQrealiza de la siguientemanera.En la hoja de especificacionesdel fabricantepor lo generalse indica el valor de
la corrientedirecta /, correspondientea I V. En el caso de
un diodo de silicio los primeros 0.7 V son necesariospara
rebasarel voltaje de barrera;los 0.3 volts restantesse consumenen la resistenciam6sicadel diodo. Por lo tanto, para
calcular la resistenciamdsica se tiene
fB:
0.3v
Ip
(1.4)
donde Ip es la corriente directa para I V.
Por ejemplo, el 1N456 es un diodo de silicio cuya 1" es
igual a 40 mA a 1 V. Su resistenciam6sicaes igual a
fB:
0.3v : 7 . 5 Q
40 mA
(1.5)
Terceraaproximaci6n......
Enla terc.€raaproximaci6nde un diodo se incluye la resistencia mdsica, rs. En la flgura l-lZa) se muestrael efecto
de rs. Una vez activado el diodo de silicio, la corriente produce un voltaje en rs. Cuanto mayor seala corriente, mayor
ser6el voltaje.
El circuito equivalente de la tercera aproximaci6n es un
interruptor conectadoen serie con una bateriadeO.TV y una
resistenciade valor r, (figura L-lzb). Una vez que en el circuito externo se rebasael potencial de contratensi6n,se obliga
el paso de la corrientea trav6sde la resistenciam6sica.
Como ejemplo de la terceraaproximaci6nsupongaque se
usaun 1N456como el de la figura 1-9a).Dado que tieneuna
resistenciamdsicade 7.5 O, el equivalentede la figura 1-94)
puede ser la figura l-I2c). En este circuito la corriente es
l0v-0.7v
I. : 2 k f l + 7 - s o
9 . 3V
ffisa
(1.6)
Se ha analizadoel mismo circuito (figura l-94) utilizando
tres aproximacionesdel diodo. Los resultadosobtenidosson
1=5mA
I = 4.65
I = 4.63
(ideal)
(segunda)
(tercera)
(1.7)
C A R A C T E R I S T I C A S D E L
;Cu6l de estasaproximacionesdebe utilizar usted?Ello depender6 del circuito en particular que se analice y del prop6sito del andlisis.
Si se trata de un andlisis preliminar, empiece por la
aproximaci6n del diodo ideal. Esta dar6 una idea rdpida
del funcionamiento del circuitQ. Si ,el valor de 0.7 V es
significativo en relaci6n con el voltaje de la fuente, utilice
Ia segundaaproximaci6n.Y si la resistenciam6sicaes significativa en relaci6n con la resistenciadel circuito, use la
'
8.
9.
terceraaproximaci6n.
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se polariza inversamenteal diodo, con lo que se impide el flujo de la mayor parte de la corriente y en consecuenciael valor lefdo de la resistenciaes alto.
Debido al comportamiento unidireccional del diodo,
podria considerarse de manera ideal como un corto
circuito cuando tiene polarizaci6n directa y como un circuito abierto cuando tiene polarizaci6n inversa. Esto
se conoce como aproximnci6n de diodo ideal.
La segundaaproximaci6n de un diodo tiene en cuenta el voltaje de umbral. Es decir, el comportamiento
en polarizaci6n directa del diodo se considera como
un corto circuito conectadoen serie con una bateria de
0.7v.
RESUMEN
1. En electr6nica se prefiere utilizar semiconductores
para controlar la corriente debido a su reducido tamaflo y a su m(nimo consumo de energia y porque permiten lograr la microminiaturizaci6n de dispositivos y
circuitos electr6nicos.
2. Los materialesbdsicos semiconductoresson el silicio
y el germanio, que en su estadopuro son aislantes.Estos materiales se contaminan con impurezaspara disminuir su resistividad y aumentar su conductividad.
3. Cuando se unen una pieza de semiconductor tipo N
(portadores de corriente negativos, electrones) y una
tipo P (portadorespositivos, huecos)-lo cual est6 determinado por el material de contaminaci6n- se forma
un diodo de uni6n.
4 . Un diodo de uni6n tiene caracteristicasde corriente
unidireccional; es decir, permite el flujo de la coniente en una direcci6n (cuando tiene polarizaci6n directa), pero no en la contraria (cuando tiene polarizaci6n
inversa).
5 . Existe un limite para el voltaje m6ximo directo (terminal negativade una fuente de alimentaci5nconectada con el material N) y el voltaje m6ximo inverso
(terminal negativa conectadacon el material P) que se
aplican a un diodo de uni5n.
6 . El voltaje de activaci6n o umbral de un diodo de
uni6n de silicio es 0.7 V y 0.3 V paraun diodo de germanio. Una vez que estevoltaje se aplica al diodo' 6ste conducird de manera apreciable. Un aumento del
voltaje de polarizaci6n directo provoca un aumentode
la corrienteen el diodo.
1 . Un diodo de uni6n se puede probar con un 6hmetro.
Este mide la corrienteque pasapor el dispositivoen
funci6n del voltaje que se aplica con el medidor.Con
la aplicaci6n el6ctricade la ley de Ohm, la lecturade la
corrientd se convierte en una lectura de resistencia.
Cuando las puntasdel 6hmetro se conectanal diodo de
manera que quede polarizado directamenteel flujo
de corrientees elevado,lo que indica una baja resistencia. Al invertir las puntas de conexi6n del 6hmetro
10. En la tercera aproximaci6n de las caracteristicasde un
diodo, la resistenciamdsica,responsablede un consumo adicional del potencial de voltaje, se tiene en cuenta en el circuito de diodo.
Respondaa las siguientes preguntaspara evaluar su aprendizaje.
l.
2.
3.
^
+,
5.
6.
8.
9.
10.
ll.
El material semiconductorm6s comfn es -.
El germanioy el silicio, en forma pura, son
(conductores,aisladores)
En el silicio contaminadocon impurezascomo el ars6nico hay una cantidad mayor de portadoresde carga
Qtositivos,negativos)y el material es tipo
(N, P)
El diodo de uni6n puedecompararsecon una resistencia ya que permite el flujo de la corriente en ambasdi(verdadero,falso)
recciones.
Para polarizar directamenteun diodo de uni6n, conecte
la punta Qtositiva,negativa)de una bateria
con la terminaltipo P del diodo y la puntaQtositiva,negativa)con la terminal tipo N.
El voltaje de polarizaci6n directa de un diodo de silicio
V paraque el
debeser igual o mayor que diodo pueda conducir de manera apreciable.
La caracteristicavoltaje-corrientede un diodo de uni6n
en funci6n de -.
es la gr6fica de Una vez que se activa un diodo, al aumentarel voltaje
(mayor, meen el diodo se produceuna nor) circulaci6n de corriente en el diodo.
La resistenciadirecta de un diodo de silicio es
la resistenciainversa
-i
La resistenciadirecta de un diodo se puede verificar,
de manera aproximada, utilizando
La primera aproximaci6n de un diodo, conocida tambi6n
sirve cuando se quiere
como el diodo
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re lizar un aniilisispreliminar.De acuerdocon ella,el
diodoesun _
perfectoo un aislanteperfecto.
12. Un diodo ideal se comportacomo un intemtptor
13.
cuando tiene polarizaci6n directa y como un intemtptor _
cuando tiene polarizaci6n inversa.
El voltaje de barrera de un diodo de silicio es de
14. En la segundaaproximaci6n, en el circuito externo se
*
debe aplicar por lo menos _
para que el
diodo de silicio se active. Entonces, sin importar la
cantidad de corriente presente, la caida en el diodo es
1 5 . La resistencia
es la resistenciade las regiones P y N. Esto impide que haya corriente una vez
rebasadoel voltaje de contratensi6n.
16. En la terceraaproximaci6n de un diodo de silicio, se consideraque hay un _
conectadoen serie con
una bateria de 0.7 V v una resistencia
I
C A R A C T E R I S T I C A S D E L
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PROCEDIMIENTO
MATERIAL NECESARIO
Fuente de alimentaci6n: fuente de cd de alta corriente.
voltaje bajo, variabley regulada.
Equipo: multimetro digital, VOM,20 000 dlN;trazador
de curvas.
Resistores:250 Q a2W.
Diodo de silicio: 1N4154 (otrasopciones:lN914 o casi
todos los diodos de silicio para seflalpequefla).
Diodo de germanio: 1N34A (otras opciones:1N4454 o
casi todos los diodos de germanio para sefralpequefia).
Otros: interruptor de un polo un tiro.
TABLA1-1. Medicionesdel diodo
Paso
vtx
2
0.7v
ID
Resistencia del diodo
3.4
t2
x
X
Directa:
Inversa:
X
X
tB:
-
4.
Polarizaci6ndel diodo
l.
Identifique los extremos del rinodo y cdtodo de un
diodo de silicio 1N4154 y atme el circuito mostrado
en la figura l-13, estandoel diodo en polarizaci6ndirecta. iCu6l de los extremos del diodo conectariamds
cerca de la terminal negativa para lograr la polarizaci6n directa?
2. Ajuste la salida de la fuente de cd variable de manera
que el voltaje en el diodo (Vo.) mida 0.7 V. Mida y
anote,en la tabla 1-1, la corriente del diodo (1r). 6Cu6l
seriala corrientedel diodo si 6steestuvierainvertido?
3 . Invierta el diodo y mida 1r. Anote los resultadosen la
tabla l-1. Los resultadosdeberdnconfirmar la predicci6n hechaen la pregunta2.
Mida Voy con el diodo en polarizaci6n inversa.Anote
la lecturaen la tabla l-1. Calculey anotela resistencia
del diodo (Vo1dividido entre 1r) para configuraciones
de un diodo con polarizaci6ndirecta y con polarizaci6n
lnversa.
5. Quite el diodo del circuito y mida su resistencia.Invierta las puntasde conexi6n y mida de nuevo la resistencia del diodo. Dado que la bateria del medidor
empleado para medir la resistencia tiene una polaridad, las puntas de prueba del medidor tambi6n estar6n
polarizadas.Anote ambas lecturasen la tabla l-1. en
donde corresponda.
Caracteristicasvoltaie-corriente
6.
Figura1-13.Circuitoparapruebasdel experimento
1.
Cambie la posici6n del diodo en el circuito de manera que tenga polarizaci6ndirecta.Ajuste la fuente de
cd variable de acuerdo con los valores de Vo* que se
muestran en la tabla 1-2. Mida y anote la corriente 1,
para cada valor de Vo*.
7. Invierta la posici6ndel diodo de maneraque tengapolarizaci6ninversa.De nuevofije la fuentede cd variable de acuerdocon los valores indicadosen la tabla
1-2. Mida y anote el valor de 1o.Esta coniente es pequeffay quizf requiera un amperfmetroo un multimetro que lean corrientes del orden de microampers.
8. Trace la curva caracteristicade un diodo en papel cuadriculado; para ello, grafique Vn*en el eje -r e /o en el
eje y. Tome nota de que los valores de polarizaci6n directa de Vo6 se consideran positivos y los valores de
polarizaci6ninversa se considerannegativos.La corriente de polarizaci6n directa que pasapor el diodo
se considerade valorespositivos dado que la corriente fluye del cdtodo al 6nodo. Los valores de la co-
10
E X P E R I M E N T O I
TABLA1-2. Caracteristicasvoltaje-corriente
Paso 6
vex,Y
PoLarizaci6n
directa Ip, mA
0
Paso 7
vx,Y
Polarizaci6n
inversa Ip, p,A
0
0.1
-5
0.2
-10
0.3
-15
0.4
--20
0.5
--25
0.6
-30
0.7
-35
0.8
40
rriente producidospor la polarizaci6ninversadel diodo se debena corrientesde fuga y fluyen en direcci6n
opuestaa la de los valoresde la corrientedirecta.Asi,
hay nfmeros "negativos" en el eje y. Calcule sus escalasnumdricasde maneraque en el eje x positivo se
representenvoltajesentre0 y 3 V y en el eje;r negativo aparezcanvoltajesentre 0 y 50 V. A su vez, la escala del eje y deberriservir para todo el intervalo de
corrientescorrespondientes
a la polarizaci6ndirectae
I
9.
inversa. De esta manera se obtendr6 una grdfica que
cuente con dos escalaspor cada eje y con el cambio
de escalaen 0.
Si dispone de un trazadorde curvas, consulteel manual para el usuario y calibre los controlespara observar la curva caracteristicade su diodo. Inserte el
diodo y observela curva en la pantalladel tubo de rayos cat6dicos(CRT). lla curva obtenidaen estetrazador se asemeja a la que obtuvo en el paso 7'l
Explique la raz6n de cualquierdiferencia significativa que encuentre.
Aproximaciones
10. En la grdfica que obtuvo en el paso 8, dibuje con varios colores, las curvas de la primera, segunday tercera aproximacionespara su diodo.
ll.
Calcule la resistenciam6sica (rr) de su diodo mediante dos puntos localizadosen la parte lineal de la
porci6n de polarizaci6n directa de la curva obtenida
para los valores Vexy Io.Sustituyaestosvaloresen
la f6rmula
'u:
Vo*
t
(l'8)
despejerr. Anote en la tabla l-1 el valor de rr.
PREGUNTAS
Fn el paso5, lcdmo decidi6qu6 valor de resistencia
era la resistencia
directay la resistencia
inversa?
L.
Comparelasresistencias
medidasen el paso5 con las
calculadas
en el paso4.
-). 6En qu6 condicionesse activaun diodo de uni6n?E,xplique.Consultelas medicionesrealizadas
y anotadas
eh la tabla l-2.
4 . 6Hay muchavariaci6nen las corrientesinversasde la
tabla l-2.! Comentequ6 dio lugar a los resultadosobtenidos.
l
6.
de:
lCudles son las limitaciones,en casode haberlas,
a) la polarizaci6ndirectay b) la polarizaci6ninversa'l
eE,nesteexperimentose rebasaronlas limitaciones?
Haga referenciaa las medicionespara apoyar su respuesta.
iC5mo podriaidentificarel 6nodode un diodo que no
est6 marcado?
;C5mo podrfa determinarcuiil es la punta de conexi5n positivade un 6hmetrono el6ctricoy cudles la negativa?
EXPERIMENTO
/;\
,
L
E
cARAcrERislcnsDELDloDoZENER
rNFoRMacl6r,leAslca
Funcionamientodel diodo Zener
Las caracteristicasde un diodo de estados6lido dependendel material se"contaminamiconductordel cual estd hecho el diodo, del tipo y grado de
ci5n" de dicho material y de la construcci6nfisica y dimensionesdel
dispositivo.
El diodo semiconductorque estudi6en el experimentoI funciona dende su polarizaci6ndirecta.Existeotro tipo
rro de los valorescaracteristicos
especialesde
de diodosconocidoscomodiodosZener,cuyascaracteristicas
del toen
aplicaciones
corrientey voltajeen polarizaci6ninversase utilizan
muestra
el
sim2-l
se
figura
de las del diodo de cristal.En la
do dit-erentes
bolo de un diodo Zener.
La figura 2-2 es la griifica de las caracteristicasde voltaje-corrientede
un diodoZener.Cuandoel dipdo tienepolarizacitindi|ectase c()nlportacomo un interruptorcerradoy la corrientedirectase incrementaal lutnentlr
del cilcuito.
cl voltaje.La corrientedirectaesti lintitadaptll'ltls parltmett'os
pequena
corriente
Cuandoel diodo tiene polarizaci(tninversa,circula una
CATODO
Figura 2-1. Simbolode un diodoZenet
t2
E X P E R I M E N T O 2
E
\
Ysal
SUMINISTRO
DE CD
I
I
I
+
Figura2-3.DiodoZenerutilizado
comoregulador
de voltajeen paralelo.
E
+
Figura2-2.Caracteristicas
de un diodoZener.
inversa, 1o llamada corriente de saturaci6n 1ses relativamente constanteaunqueaumenteel valor de la polarizaci6n
inversa, hasta llegar a la regi6n de disrupci6n Zener, cercana al voltaje Zener, V2.Alrededor de esta regi6n la coniente inversa empieza a aumentar con rapidez debido al efecto
de avalancha.Por riltimo se produce la disrupci6n Zener (un
sfbito aumento de la corriente) cuando se alcanza el valor
de voltaje Zener, Vr.
En esta regi6n una pequefla variaci6n del voltaje produce un enorne cambio en la corriente. Es obvio que, en esta
regi6n, tienen lugar cambios notablesen la resistenciaefectiva de la uni6n PN.
La disrupci6n Zener no necesariamenteprovoca la destrucci6n del diodo. En tanto la corciente que circula por eI
diodo estt limitada por el circuito externo a un nivel dentro
de su capacidad de potencia admisible, el diodo funcionard con normalidad. Adem6s, al reducir la polarizaci6n inversa a valores inferiores al del voltaje Zener, el diodo sale
de su nivel de disrupci6n y regresaa su nivel de corriente de
saturaci6n.
Este proceso de alternar al diodo entre sus estados de
corriente Zener y de corriente noZener se puederepetir una
y ofr avezsin daflar al diodo. Sin embargo, se debe recordar
que cuando el diodo cambia de un estado a otro hay cierto
retraso llamado tiempo de recuperaci6n.
Especificaciones
Los fabricantes de diodos proporcionan una hoja de especificaciones para cada tipo de diodo Zener. Estas incluyen el
voltaje Zenet, el intervalo de tolerancia del voltaje Zener,
los limites de corriente Zener,la disipaci6n mdxima de potencia, la temperaturade operaci6n mdxima, la impedancia
Zener mLxima en ohms, el factor de correcci6n t6rmica en
milivatios por grado Celsius ('C) (antes centfgrados)y la
corriente de fuga inversa. Tambi6n se indican el tipo de material utilizado en el diodo (por ejemplo, silicio) y las posibles aplicaciones de dicho diodo.
El valor del voltaje de ruptura de un diodo dependedel
material y de su construcci6n. Los diodos Zener se diseffaron para producir voltajes Zener entre uno y varios cientos
de volts. El diseflador de circuitos dispone de una gran variedad de diodos para elegir los que por sus caracteristicas
mds se aproximen a las necesidadesdel circuito.
Aplicaciones
Los diodos Zener se utilizan como reguladoresde voltaje y
como patronesde referencia de voltaje. La figura 2-3 muestra el circuito de un diodo empleado como regulador en paralelo. El diodo est6 en paralelo con un resistor de cargaRr,
y su funcidn es mantener un voltaje constanteen la carga,
dentro de los lfmites requeridos, cuando cambie ya sea el
suministro de cd o la resistenciade carga y, por ende, la corriente.
Apartir de los valores requeridos para un circuito se calcula el valor del resistor limitador de corriente en serie (Rr) y
el tipo de diodo Zener. Suponga que se requiere un voltaje
de salida, %ar,constantede l0 V (* 0.2 V) para una resistencia cuya corriente lrvariaentre 5 y 20 mA. El circuito se
alimenta mediante una fuente de cd constantede 20 V y para lograrlo se propone el disefro de un circuito regulador .
Supongaque el circuito regulador de la figura 2-3 satisface las especificaciones del problema. Se selecciona un
diodo reguladorZener cuyo V7: l0 V. Supongaque existe un diodo que permite una corrientereguladoralrde manera que la corriente de circuito total 1, seaconstantea 30 mA
por arriba del rango de variaci6n de carga-corriente. De
acuerdo con la ldy de voltaje de Kirchhoff
C A R A C T E R i S T I C A S D E L
V,c,A:Ir X Rs + %al
( 2.r )
6.
!
Rs
Vu - Vsa
I7
AI sustituir en la ecuaci6n(2.2) Ios valores V*:
t/
Ysal -
(2.2)
20 ,
D I O D O
Z E N E R
13
Un reguladorde voltaje en paralelobien diseflado(figura 2-3) mantiene un voltaje de salida constante V2 en
el diodo, sin importar las variacionesespecificadas
en el voltaje de entradao los cambios especificadosen
la corriente de carga.
En el regulador en paralelo de la figura 2-3, con los
valores de V^, Ir y V"a se calcula el valor de R, mediante la ecuaci6n
l0 e Ir= 30 X 10-3A, se obtieneque:
Rs:
a' " - ? o - t o - : 3 3 3 o
V*r - Vra
I7
30 x l0-'
Para calcular el vataje de Rr, note que en esta resistencia hay una ca(dade voltaje de 10 V. Por lo tanto
w : f : l o t = ! w
Rs
333
3
(2.3)
Las buenaspr6cticasde ingenierfarecomiendansobredimensionarel resistor.Por lo tanto, se utilizar6 un resistor
de330A+sEoalW.
El vatajedel diodo se calcula a partir de la corrientem6xima, Ir, que requiere el circuito. En nuestro problema el
valor m6ximo de Ir:25 mA (cuando/.: 5 mA). Por lo
tanto,el vatajeminimo Wres
Respondalas siguientespreguntaspara evaluar su aprendizaje.
l.
2.
Cuando un diodo Zener se utiliza como reguladorde
voltaje debe tener polarizaci6n
(directa,
inversa).
Si las especificacionesdel fabricante indican que el
voltaje de salida de cierto diodo Zener es de l0 V +
lOTo de tolerancia.el V, de dicho diodo estd entre
W7:VXI,
:l0X25xIO-3
: 250mW
vy-V.
(2.4)
3.
4.
De nuevo una buena pr6cticade ingenieriarecomienda
sobredimensionar
el diodo, por lo que bastar6un diodo de
500 mW.
5.
RESUMEN
t
Un diodo Zener mantieneun voltaje constanteV, en
su salida si est6inversanrcntepolarizado y funciona
segrinsus caracteristicasespecificadas.
L.
Cuandoel diodo funciona en su voltaje Zener, Vr, los
cambios minimos de voltaje en el diodo producen
cambios de corriente miis o menos grandes,Ir, en el
diodo.
3 . Las especificaciones
de los diodos Zener incluyen:
n) voltaje Zener, Vr, b) intervalode toleranciadel Vr,
c) limitesde la corrienteZener,
d) m6ximadisipaci6n
de energiay e) m6xima temperaturade operaci6n.
Hay diodos Zener que producenvoltajesentre uno y
varioscientosde volts.
5 . Los diodosZener se utilizan como reguladoresde voltaje y tambi6n como patr6n de referenciade voltaje.
l .
La corrientede un diodo Zener de I W y l0 V debelimitarsea un valor mdximo de _
A.
Un diodo Zener de20Y a I W conectadocomo regulador de voltaje en el circuito de la figura 2-3 produce en la carga un voltaje de salida de
(aproximadarhente).
En el circuito de la pregunta4, V* es igual a 30 V 1,
vale 0.05 A, y el valor de R5 que permiteel funcionamiento como reguladores de _
O.
14
E X P E R T M E N T o2
PROCEDIMIENTO
MATERIAL NECESARIO
Fuente de alimentaci6n: fuente de cd regulada variable.
Equipo: multfmetro digital; multimetro; miliamperimetro; trazador de curvas para la pregunta de los puntos
adicionales.
Resistores:3 300 O at/zW;500 O a 5 W; resistorespara el procedimiento de puntos adicionales.
Semiconductores:1N3020(otra opci6n: cualquierdiodo
Zenerdel0VylW).
Otros: interruptor de un polo un tiro; caja con diez resistores para la pregunta de los puntos adicionales.
TABLA2-1. Polarizacioninversa
2
0.0
6
J
2.0
6
l0
4
6.0
6
20
4
7.0
6
30
4
8.0
6
40
6
50
5.
Caracteristicasvoltaie-corrriente:
polarizaci5n
inversa..........
1.
2.
3.
4.
Arme el circuito de la figura 2-4. El intemrptor S estd
sbierto. V* es una fuente de alimentaci6n regulada,
calibrada a O Y. M es un multfmetro de 20 000 O/V
calibrado en el rango de la corriente mds baja.
Cierre S. Mida la corrientedel diodo 1, si Ia hay, con un
V* calibradoa 0 V. Anote los resultadosenlatabla2-L
Ajuste la salida de V^ de maneraque el voltaje Vo,
medido en el diodo seade 2.0 V. Mida la corriente del
diodo. Anote los resultadosen la tabla2-1.
Repita el paso 3 por cada valor deVo6 que aparezcaen
la tabla 2-1. Cambieel intervalode M segfn se requiera. Calcule la resistenciaR, del diodo (R7: Vos/I) y
anotelos resultadosobtenidosenlatabla2-L
6.
Rz
Ajuste el valor de V^ de manera que la corriente del
diodo 1 seade 2 mA. Mida el voltaje Vo, del diodo y
an6teloen la tabla 2-1. CalculeR. v anotesu valor en
Ia tabla 2-I.
Repita el paso 5 para todos los valores de corriente y anote los valores respectivosde Vo6y RrenIa
tabla 2-I.
7.
9.
Abra S inteirumpiendo la alimentaci6n al circuito.
Ponga la salida de la fuente de alimentaci6n en 0 V.
Invierta la posici6n del diodo en el circuito.
Cierre S. Mida y anote en la tabla 2-2 la coniente directa del diodo para cada nivel de voltaje Vorenlatabla. Calcule la resistenciadirecta Rp : VoslI k. Anote
los resultadosen la tabla2-2.
Con baseen los resultadosde las tablas2-l y 2-2,trace en papel cuadriculado una grdfica de:
a) La corriente del diodo (eje vertical) en funci6n del
voltaje del diodo.
&) Dibuje una gr6fica amplificada de la corriente del
diodo en funci6n del voltaie dentro de la regi6n
Zener.
TABLA2-2. Polarizaci6ndirecta
Figura 2-4, Circuitoexperimentalpara observarel efectode la polarizaci6ninversaen un diodo Zener.
Vta
Caracteristicasvoltaie-corriente:
polarizaci6ndirecta ..........
8.
500a (5 w)
2.0
Paso
1,mA
V,q,a
5
I, mA
Rz
Paso
C A R A C T E R i S T I C A S
D E L
D I O D O
Z E N E R
15
TABLA2-3. Regulaci6n de voltaje
del disefrode un reguladorde voltaje
TABLA2-4.Caracteristicas
Frgura 2-5. Circuito del reguladorde voltaie del experimento'
vea
Rs
IzmA
Rr
%a
10
20
c) Dibuje la grifica de la resistencia del diodo en
funci6n del voltaje, tanto para la configuraci6n
de polarizaci6n inversa como la de polarizaci6n directa.
30
Puntosadicionales(opcional)"""'
El diodo Zenercomo regulador
"":""""'
de voltaie
10. Arme el circuito de la figura 2-5'El interruptorS est6 abierto. La salida de la fuente de alimentaci6n Voo
es igual aOY. M es el miliamperimetrocalibradopara el intervalo de 100 mA.
ll.
Cierre S. Aumente poco a poco el voltaje de alimentaci6n V^ hasta que la corriente 1, del diodo d6 una
lecturade 20 mA. Mida el voltaje de alimentaci6nVoo
y el voltaje Vosenlacarga. Anote los resultadosen la
tabla2-3. Mida la corriente tgtal 1.. Anote los resulta-
Disefie un circuito regulador con una fuente de voltaje
constante,Voo,y undiodo Zener cuyascaracteristicas
voltaje-coniente haya determinado de maneraexperimental.Se necesitaque el reguladormantengaun voltaje de salida constante,V.4, dentro de 0.2 V del valor
promedio V,u,,y para cor'rientesde carga en un intervalo de 10 a 30 mA. Dibuje un circuito que muestre
los valores de todos los componentesy voltajes' Explique c6mo obtuvo estos valores.
14. Pruebe el circuito y anote las mediciones en la tabla 2-4. Como carga variable utilice una caja de diez
dos en latabla2-3.
12. Calculeel intervalode variaci6nde Vosen el cual Vog
es constantedentro de + 0.1 V de su valor en el paso
I I . Mida la variaci6n de I, e 1, dentro de este intervalo: anote los resultadosen la tabla2-3-
resistencias.
15. Con un trazador de curvas observe l6s caracteristicas de voltaje-corrientedel diodo Zener. Fotografie
o dibuje la curva en el mismo papel cuadriculado
del paso 9.
13.
16
ExPERTMENTo2
PREGUNTAS
L
Compare la polarizaci6n de un diodo de uni6n (experimento 1) con la de un diodo Zener en una aplicaci6n
normal.
2. Compare la caracteristica de voltaje-corriente de la
grdfica del diodo Tnner del paso 9a) de este experimento con la de la frgwa2-2. Explique las diferencias.
3. ;Qu6 parte de las caracteristicasde un diodo Zener es
"
la m6s ritil en las aplicacionesde regulaci6n de voltaje? lPor qu6?
4. a) i,Cu6l es la importancia de la grdfica del paso9D)?
b) 6C6mo se utiliza la grilfica del paso 9D) en el diseflo de un regulador que emplea un diodo Zener de
1 0v ?
5 . Con base en la tabla 2-3 explique c6mo funciona este
circuito regulador.
lEl circuito regulador de la figura 2-5 permite compensar los cambios en el voltaje de entrada, Va, asi
como los de la corriente de carga, [? Explique.
:
I
/;\
EXPERIMENTO
J
E
LOCALIZACION
DE FALLASEN
ZENER
UNREGULADOR
II{FORMACTON BASIGA
-riisten m6todospara ayudaral t6cnico a detectarproblemasen un circuito
:lectr6nico que siguen uno de dos procesosb5sicos.Los dos procedimren:.-srequierenconocimientosprevios de qu6 se esperade un circuito. 56lo
:rnociendo los pardmetrosdel funcionamientocorrecto de un circuito se
;uede determinarsi hay un problemay, de ser asi, en qu6 consiste.
Un procedimientopara localizar fallas, conocido como seguimientode
;citales,consisteen inyectaruna sefralo voltaje en la entraday medir las seiales, voltajeso corrientesdel circuito de la entradaa la salida,hastaenconrar un valor incorrecto.El problema se reducea una componenteo parte
situadasentre el riltimo valor correctoy el valor incorrecto.
Otro procedimientotambi6n consisteen aplicar una sefralo voltaje de
entrada;sin embargo,en estecaso las medicionesse realizandesdela saliJa, y se retrocedehacia la entradahastaencontrarel primer valor correcto.
El problemase localiza entre la riltima lectura incorrectay el primer valor
.-orrecto.
CircuitoreguladorZener
La figura 3-l muestraun circuito con diodo Zener que se utiliza para mostrar los dos m6todosde localizaci6nde fallas. Este circuito consisteen un
voltajefuentede entradaVooconectadoentreuna linea de referenciacomdn
o tierra GND, y un diodo rectificadorde silicio, Dr. El resistorR, es un re-
18
E X P E R I M E N T O 3
Figura3-1.CircuitodeldiodoZener.
sistor limitador en serie que absorbela diferencia de voltaje entre el 6nodo de Dt, y el voltaje generadoen la combinaci6n en paralelo del diodo Zener D2 y la resistencia de
carga R..
El diodo Zener reg:ulael voltaje de R. en 10 V. Con una
fuente de voltaje de25Y,la diferencia de 15 V que hay entre
Veey Vrutse aplica en Dr y Rr. Los puntos de voltaje A, B y
C se miden en los puntos seflaladosen el circuito respecto
a GND.
Condicionesiniciales
Para establecersi hay algfn problema en estecircuito es necesario conocer los valores correctos de voltaje y corriente
del circuito. Unavez determinados,se puedencompararcon
lecturas futuras y detectar diferencias para resolver problemas en el circuito.
Los valores iniciales de Rr y de R' son ambos 10 kO, y
V* se estableceen25 V. V1, el voltaje que estd en el voltaje fuente vale25 V como era de esperarse.Tambi6n, como
se esperaba,el voltaje que se mide en el punto C (V6, voltaje
a trav6s de R) es 10 Y dado que D2 tiene que mantener el
voltaje de la cargaen esevalor. Observeque los dos voltajes
medidos en los puntos A y C ocasionanque la polarizaci6n
de D, seadirecta puestoque el voltaje Vo es rn6spositivo que
V".Para calcularel voltaje de V" utilice la segundaaproximaci6n de un diodo (0.7 V)
ta. En esteandlisis,Rres igual a 100kO y Rlal kO. La
primera vez que se activa el circuito el voltaje en Vr4 mide
menos que medio volt, lo cual indica que hay un problema
en el circuito. Si se usa el m6todo de seguimiento de seflales, primero se mide el voltaje Vo. Se lee 25 V, que es correcto.A continuaci6nse lee el voltaje en V6,cuyo valor es de
24.3V, tambi6n correcto.Por fltimo, se mide Vc.,cuyo valor
es de 0.24 V.
La fltima lectura cuyo valor fue correcto es en Vs y el
primer valor incorrecto es el de V.. Esto indica que es muy
probable que el problema est6entre V6 y V.. Note que la dificultad tambidn podrfa originarse por efecto del circuito de
carga (R, en este caso). Una vez aislada el 6readel circuito
en dondese localiza el problema,debenrealizarseotraspruebas para determinar cu6l es el problema real.
Con la fuente de alimentaci6n apagada,se conecta un
Shmetro para medir R5 y determinar si su valor es incorrecto (lo que ocurre en este ejemplo). R, se cambia a 10 kO y
se vuelve a probar el circuito verificando Vrn. Esta vez, la
lecturade V,"1es 2.2Y.En las medicionesanterioresse determin6 que los valores de Vo y V" eran correctos antes de
cambiar R . Es recomendablevolver a verificar que la riltima
lectura que se sabeque es correcta,todavia lo sea.Esto confirmar6 que el reemplazo de Rr se hizo bien y que no cre6
un nuevo problema. Vs de nuevo 24.3 V.
Dado que R, es la rinica componenteque hay entre Vs y
V., el problema debe localizarse en las componentesconectadas en el punto C. Para revisar r6pido D2, se quita R. y se
deja Dt conectado s6lo al punto C. Como D2 es un diodo
Zener de 10 V si todo estd bien, la salida deberd aumentar
de inmediato a l0 V. De no ser asi, la lectura ser6 un valor
diferente.
La medici6n de %urdespudsde quitar R, produce l0 V,
lo que indica qlueD2estd bien. Al medir R1 con un 6hmetro
se ve que R1 vale I k,f) en vez de 10 kO. Al cambiar R. por
10 kO por fin se obtiene el valor correcto de %".
Al invertir el procesoanterior,es decir, empezarpor Vry
tomar lecturasen orden inverso, se llega a la misma 6readel
circuito que tenia problemas.El tipo de procedimientoutilizado dependeril dela complejidad del circuito. De cualquier
manera,habrd un flujo de seflal en el circuito, que puedeseguirse desde la entrada o la salida para tomar las mediciones en direcci6n al extremo opuesto.
VA-O.7Y:Va
25 - 0.7 : 24.3 Y
Para resumir,los puntos de los voltajes criticos del circuito son: V1 : 25 Y, Vs: 24.3 Y y V6,: l0 V
RESUMEN
l.
An6lisis de los problemasde un circuito
Par4 ejemplificar la aplicaci6n del m6todo de seguimiento
de seflalesa fin de localizar fallas de este circuito, suponga
que los valores de Rr y R1 se eligieron de manera incorrec-
2.
Es necesarioconocer el desempeflode un circuito para determinar si su funcionamiento es correcto.
El seguimiento de seflaleses un procedimiento para
localizar fallas y consisteen aplicar una seflalde entrada adecuaday probar diversos puntos de un circuito
hasta determinar en d6nde est6 el problema.
LSe. A\L\L S.C\AN
3 . Las 6reasen donde puede haber problema se reducen
4.
a la porci6n entre la dltima medici6n correcta y la primera incorrecta,o a un circuito o componenteconectado con el punto donde se obtuvo la primera medici6n
incorrecta.
Una vez localizada el 6rea del problema, se requieren
m6s pruebashastadescubrirel problemareal, o la componente defectuosa.
Evalfe su aprendizaje respondiendo a las siguientes preguntas.
1 . iCudl de las componentesde la figura 3-1 tienemayor
z.
4.
probabilidad de estar si el valor del voltaje Vs es 0 V
yeldeVoes25Y?
El voltaje V,4 es de un poco m6s de 12 V. El voltaje
de Vs es correctoy el voltaje de V. es l2.2V.6En qu6
consiste el problema?
El valor de Vo, Vs y Vc,es de24Y cadauno. TantoRt
como R. miden l0 kW. iCu6l es el problema?
El valor de Vo es 25 V, VBvale 15 Y y V, vale 0.7 V.
iQu6 est6mal en estecircuito?
\\.
\ F LL $\S \,N
\N
R\.G\L
0\DOR I,E NR.R
t9
20
EXpERTMENTo 3
PRGCEDIMIENTO
MATERIAL
.
.
.
.
.
NECESARIO
Fuente de alimentaci6n; fuente de cd reguladay variable
Equipo: multimetro digital.
Resistores:dos cajas de diez resistores.
Semiconductores:un diodo rectificador de silicio lN34A:
un diodo Zener de 10 V, I W 1N3020.
Diversos: un interruptor de un polo y un tiro.
Pardmetrosdet circuito
LL Arme el circuito mostradoen la figura 3-2.Blvalor de
R, y de R, es de 10 kO.
2. Pongala fuente de voltaje V*a25 V. Calcule los valores esperadospara el voltaje en los puntosA, B y C.
Anote los resultadosde estosc6lculosen la tabla 3-1,
en la hoja de datos que estd al final de este experimento.
3. Mida y anotelos voltajesVe,Vay Vrenla tabla3-1.
Explique la raz6n de las discrepanciasentre lo que
calcul6 en el paso 2y las medicionesobtenidasen el
paso 3.
Efectosde los cambiosen Ia resistencia
de carga
4.
Los diodos Zener estdn diseflados para mantener un
voltaje independientemente de los cambios en las
condicionesde la carga que se conectaen paralelo con
ellos. Disminuya el valor de R, hasta que el voltaje
V,4 seaigual a 9.5 Y (57odel valor del voltaje nominal de Dr). Anote el valor de R1 en la tabla 3-2.
5. 6Qu6 sucederia con Vr, si R1 se abriera? Desconecte
uno de los extremosde R1, mida Va, Va y Vc y anotelos
valores. Explique los resultadosde estepaso. Con base en 6stos,ic6mo podrfa detectarel problema del circuito abierto?
6. 6C6mo detectaria la presenciade un corto circuito en
la salidacon baseen los resultadosdel paso5? El voltaje V, debe ser 0 debido al corto circuito (Vry GND
tienen el mismo potencial). Vuelva a conectarR. y haga en 6l un corto circuito. Mida la corriente en el corto circuito. Anote el valor en la tabla 3-2. Mida la
corrienteen Dry anoteel valor. Utilice la ley de Ohm
para explicar las dos lecturas de corriente obtenidas
en estepaso.
Efectos de los problemas
en4yf,ls
Dl
PRECAUCI6N: Cuando trabaje esta secci6n,cerci6resede
que el voltaje enV*(25 V) no se apliquedirectamentea D2.
;Qu6 pasarfa con Drsi se hiciera caso omiso de esta advertencia y todo el valor de V* se aplicara a Dr?
7 . Elimine el corto circuito que hay en R.. Invierta la
Figura 3-2. Circuitodel experimentocon el diodo Zener.
TABLA3-1. Pardmetrosdel circuito
Paso
vAa
2
2.5
v^
VB
vc
posici6n de D, en el circuito. Mida el valor de Vr,
Vsy Vc y an6telosen la tabla 3-2. Explique c6mo se
utilizan estaslecturaspara decidir si el problemaestd en Dr.
8 . Haga corto circuito s6lo en D,. Mida V* Vs y V.
y a n 6 t e l o se n l a t a b l a 3 - 2 . E x p l i q u e c 6 m o s e u t i lizan estas lecturas para saber si D1 est6 en corto
circuito.
9 . E l i m i n e e l c o r t o c i r c u i t o e i n v i e r t a l a p o s i c i S nd e
D, para que el circuito vuelva a su condici6n original.
10. Aumente el valor de R, hastaque el voltaje del punto
C disminuya a 9.5 V (de nuevo 5Vodel voltaje regulado nominal). Anote el valor de la resistenciaR.,en la
tabla3-2.
L O C A L T Z A C I O N
Problema
I
R. cambia
i
R1 se abre
:
R1 en corto
"!
l
-:
25
vB
vo
Rb
V
ko ko
IL
Ioz
l0
X
X
10 X
X
9.5
Rs,
0
l0
D, invertido
t0
l0
X
x
Dt en cortocircuito
l0
10 X
X
x
x
10 X
X
X
x
25
0
R5 aumenta
25
9.5 l 0
R5 disminuye
25
l0
l'.. disminuye
:
VA,
V
1..,r aumenta
9.5 10
10.5 10
5
l0
F A L L A S
E N
U N
R E G U L A D O R
Z E N E R
2 I
Efectosde las variacionesen la fuente
de alimentaci6n
del problema
de las caracteristicas
;tts-A &2. Resultados
tri-,.-
D E
Si R, se abre, no llega corriente a R, ni a D2 y el voltaje %rr es igual a 0. 6Qu6 sucede si se cortocircuita
Rr? No haga corto circuito con Rr: irecuerde la nota
de PRECAUCI1N!Conforme R5disminuye, D, intenmre mantenerel voltaje V." igual a 10 V. iQu6 ocurre
con el valor de la corriente que circula en R" y D2 al
diminuir el valor de Rr?
Reduzcael valor de Rr a 5 kO. Mida el valor de Vo, Vu
y Vc, y la corriente que pasa por R, (It) y Dz Qo) y
an6telosen la tabla 3.-2.
Otro problema posible de este circuito es la variaci6n
de los valores de la fuente de alimentaci6n que se detectanmidiendo el voltaje en el puntoA. Algunos problemas son obvios, y otros no. La intemrpci6n total del
suministro de la fuente produce 0 V en los tres puntos
de voltaje.
14. Supongaque R, es igual a 10 kO. Disminuya V- hasta que el voltaje de V"4 sea9.5 V. Anote el valor de Va
en la tabla 3-2.Mediante la ley de Ohm explique por
qu6 el voltaje de V^ produjo 9.5 V en V"a.
15. Aumentepoco a poco V- hastaque el voltaje Vr" sea
igual a 10.5 V. Mida el valor de Vo y an6telo en la tabla 3-2. Reduzca de inmediato V* a25 V despu6sde
estalectura. iQu6 ocurririacon D2si se aumentaraafn
m6s el valor del voltaje de la fuente?
16. Regreseel circuito a su condici6n original. Pida a ayuda para introducir a prop6sito un problema en el circuito. Mida los tres voltajes de A, B y C. An6telos en
la tabla 3-3. Compare estos valores con los que anot6
en las tablas 3-l y 3-2. A partir de estosvalores,determine cu6l es la falla en su circuito. Explique su evaluaci6n y conija el circuito.
13.
TABLA3-3. Problemadel circuito
Paso 16
VM
vA
vB
vc
FREGUNTAS
:
En el circuito de prueba, ic6mo se detectaun problema relacionado con un circuito abierto?
Use la ley de Ohm para explicar las dos lecturas de
corriente del paso 6. ;C6mo cre6 el corto estasdos corrientes?
3 . 6Qud ocurre con el valor de la corriente que pasa por
R, y por D2 durante la prueba al disminuir el valor de Rr?
4. iQu6 suceder6con el tiempo al diodo Zener del circui-
to de prueba si V- aumentademasiado?6Cudl de las
especificacionesdel Tener es la que se rebasa?