Download Informe de la Práctica 01: Dispositivos - EA2
Document related concepts
Transcript
Práctica 01 – 05 – agosto 15/ 2013 – periodo 2013/03 Informe: 4.0 (60%) Práctica: 4.2 (40%) Nota: 4.1 Informe de la Práctica 01: Dispositivos semiconductores basados en unión pn. Eric Santiago Granda, Daniel Ramírez Castañeda. Laboratorio Electrónica Análoga II, Escuela de Mecatrónica, Facultad de Minas Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín Resumen – Este documento consiste en el compendio de un análisis teórico de dispositivos semiconductores basados en unión pn, como el diodo y el transistor dentro de suposiciones ideales y observar como este análisis teórico difiere de los resultados experimentales. En cuanto al diodo, se experimenta su comportamiento en una fuente de tensión regulada cuyas etapas consisten principalmente en la rectificación de media onda de un voltaje AC (9 Vrms) y la regulación con un diodo zener; para el transistor se obtienen sus curvas características. Palabras Clave – Base, colector, emisor, rectificación, regulación, tensión de ruptura. Abstract – This document is the summary of a theoretical analysis of semiconductor devices based on the pn junction, such as the diode and the transistor within ideal assumptions and watch differs theoretical analysis of the experimental results. As for the diode behavior is experienced on a regulated voltage source whose stages consist mainly of half-wave rectification of an AC voltage (9 Vrms) and regulation with a zener diode, to the transistor characteristic curves are obtained his. llevado a cabo, esta rectificación es de media onda, la cual permite que un voltaje alterno se asemeje en buena medida a un voltaje DC con cierto valor de rizo; el circuito que cumple esta función está compuesto por un diodo y un filtro. A. Procedimiento Teórico. La Figura 1 muestra el modelo del circuito para la fuente de voltaje DC regulada. Index Terms–Base, collector, emitter, rectification, regulation, breakdown voltage. I. INTRODUCIÓN U na de las principales aplicaciones del diodo zener, es el aprovechamiento de su comportamiento en las fuentes de voltaje DC para la etapa de la regulación. Cuando incrementamos en las terminales de un diodo una tensión negativa, este incremento se ve limitado por una tensión de ruptura, en la cual el comportamiento del diodo se asemeja al de una fuente de tensión DC negativa. Intuitivamente se podrá pensar que con este comportamiento del diodo, entonces éste suministra potencia al circuito, pero esta idea se hace incorrecta al observar su curva característica (Id vs Vd), pues el producto de la corriente que circula por el diodo y la tensión de ruptura es positivo y por lo tanto la potencia también, es decir, consume potencia. Para el diseño de una fuente de voltaje DC, en la etapa de regulación se debe asegurar que el diodo zener opere en su región de ruptura, que está limitada por la corriente mínima y máxima que circula por éste, para evitar su sobrecalentamiento, ya que este se produce cuando la corriente supera su valor máximo. La etapa de regulación está precedida por una etapa de rectificación, para el experimento Fig. 1 Esquema del circuito montado para la fuente de voltaje regulada. Las características del diodo zener seleccionado se registran en la Tabla 1, para la etapa de rectificación se utiliza un diodo de silicio con Vd=0,7V. Práctica 01 – 05 – agosto 15/ 2013 – periodo 2013/03 TABLA 1. Características del diodo zener seleccionado. 5,1 0,049 1 0,196 7 0,001 Vz o Vznominal (V) Izt (A.) Pd (W) corriente máxima(Izm) (A) Impedancia zener (Zzt o rk) (Ω) Corriente de rodilla Izk (A) Cumpliendo las condiciones exigidas Ilmin=0A y Izmin=Izk, y aplicando las ecuaciones (2) y (3) de la guía propuesta, procedemos a hallar todos los valores de parámetros restantes. Para determinar Vsmax y Vsmin se recurre a la ley de voltajes de Kirchhoff, obteniéndose la siguiente ecuación: ( ) ( ) Las Tablas 2,3 resumen respectivamente los parámetros del transformador utilizado y los valores de los parámetros calculados. Fig 2. Esquema del circuito simulado. Código en SPICE: * FUENTE DE VOLTAJE DC CON REGULACIÓN ZENER. VIN 1 0 sin 0 15 60 D1 1 2 D1n4007 C1 2 0 2200u RL 3 0 68 .MODEL D1n4007 d TABLA 2. Características del transformador utilizado. Frecuencia (Hz) Vrms Amplitud Vimax 60 9 12,72792206 12,72792206 Rizado 0,05 TABLA 3. Valores de los parámetros calculados. Vzo(v) Iz(max) (A) Iz(min) (A) Ilmin Vsmax (v) Rs (OHMIOS) Pmax rs (W) Vsmin (V) Ilmax (A) Rlmin C (F) 4,757 0,19607843 0,001 0 7,28492206 5,89240251 9,00652821 6,64852596 0,31882302 16,0182913 0,02080954 +IS=7.02767e-09 RS=0.0341512 N=1.80803 EG=1.05743 +XTI=5 BV=1000 IBV=5e-08 CJO=1e-11 +VJ=0.7 M=0.5 FC=0.5 TT=1e-07 +KF=0 AF=1 RS 2 3 6.8 DZ 0 3 ZENER .MODEL ZENER D BV=5.1 IBV=0.001 .TRAN 5u 50m .PROBE .END A continuación se muestran las simulaciones ejecutadas. 20V 10V 0V -10V -20V 0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms 45ms V(2) V(1) Time B. Simulación La Figura 2 muestra el esquema del circuito con los componentes nombrados. Fig. 3. Señal de entrada y señal rectificada sin considerar resistencia de carga. 50ms Práctica 01 – 05 – agosto 15/ 2013 – periodo 2013/03 recomendaciones del monitor de 6,8 Ω y RL de 68 Ω, posteriormente se sigue el procedimiento propuesto en la guía. 20V 1) Realizar el montaje del circuito colocando como RL la resistencia de carga mínima calculada y determinar el valor experimental del voltaje pico y del rizado. El circuito solo comprende la etapa de rectificación. 2) Retirar la resistencia de carga y determinar el voltaje pico y el del rizado. 3) Realizar el montaje del circuito con la resistencia de carga RL mínima y determinar experimentalmente el valor del voltaje y de la corriente en la carga, y la corriente en el diodo zener. (El circuito incluye tanto las etapas de rectificación como la de regulación). 4) Repetir el procedimiento anterior retirando la resistencia de carga. 10V 0V -10V -20V 0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms 45ms V(1) V(2) Time Fig. 4 Señal de entrada y señal rectificada considerando resistencia de carga. 50ms III.RESULTADOS EXPERIMENTALES Los resultados experimentales se recopilan en registros fotográficos de los mismos, las Figuras 7,8,9,10,11 muestran los resultados. Fig 5. Voltaje de rizo considerando resistencia de carga. Osciloscopio virtual. Fig 7. Voltaje de salida (amarillo) sólo en la etapa de rectificación, considerando resistencia de carga, para la determinación del voltaje de rizo (azul). Fig. 6. Voltaje regulado considerando resistencia de carga. C. Experimento. Se selecciona un capacitor de 2200uF, pues era el de mayor capacitancia presente en el laboratorio Rs se elige, por Práctica 01 – 05 – agosto 15/ 2013 – periodo 2013/03 A partir de la Figura 10 para calcular la corriente por el diodo zener usamos la siguiente reacion. Iz = Vsal/Rz ≈ 5.1V/7Ω ≈ 0.73A Fig 8. Voltaje rectificado (azul) conectando resistencia de carga. Fig. 11. Voltaje regulado (azul) conectando carga. A partir de la Figura 11 para calcular la corriente por el diodo zener y por la resistencia de carga usamos las siguientes relaciones. Iz = Vsal/Rz ≈ 4.9V/7Ω ≈ 0.7A Irl = Vsal/RL ≈ 4.9/68Ω ≈ 0.07A Fig. 9. Voltaje rectificado (azul) sin considerar carga. De la Figura 7 podemos calcular el porcentaje del rizo. Para la señal de color azul se tiene para la escala vertical 200 mV por división, por lo tanto el voltaje de rizado es aproximadamente de 1200mV o 1,2V,;el porcentaje del rizo es de aproximadamente 8% valor que es aceptable pero no cumple lo ideal, pues se esperaba un rizo del 5%. Los cálculos extra y los análisis de resultado de la demás Figuras se consignan en IV. Finalmente se obtienen las curvas características del transistor bipolar, la Figura 12 muestra lo obtenido. Fig. 12. Curvas del transistor. Fig. 10. Voltaje regulado (azul) sin conectar carga. Práctica 01 – 05 – agosto 15/ 2013 – periodo 2013/03 IV.COMPARACIÓN DE RESULTADOS En la Figura 8 podemos observar una diferencia en el voltaje rectificado con respecto a la Figura 9, ya que al colocar la resistencia de carga obtenemos un rizo del 8%, como se ve en la Figura 7 con una escala de 200mV y sin la resistencia de carga, como se muestra en la Figura 9, el rizo es despreciable para el ojo humano. En la Figura 10 se puede ver que el diodo zener, está cumpliendo su función como regulador de voltaje y mantiene el voltaje regulado en 5,1 V, que es el voltaje zener nominal, la corriente a través del zener es aproximadamente de 0.73A y se observa un leve rizado en la señal. Pero en la Figura 11 el voltaje regulado varia alrededor de 200mV por debajo del voltaje zener nominal cuando se agrega la resistencia de carga, la corriente por el zener disminuye a unos 0.7A, la corriente por la resistencia de cargar es de unos 0.07A Y se observa un rizado de aproximadamente 1V en la señal. V.CONCLUSIONES *Los errores obtenidos se deben a que no se usaron los valores de las resistencias y del capacitor calculado, y se usaron resistencias y capacitores aproximados que se encontraban en el laboratorio. *Se tuvo problemas en la medición de los voltajes ya que las resistencias usadas en el laboratorio se calentaban y se quemaban. *Otra posible causa de los errores obtenidos se debe a la apreciación del ojo humano al reportar las medidas del osciloscopio. *Se pudo regular de manera aproximada usando un diodo zener el voltaje de la fuente aun cuando cambiamos la resistencia de carga. * Durante la Práctica se presenció que el diodo zener tenía un calentamiento considerable, pero sin embargo su funcionamiento fue adecuado (no hubo sobrecalentamiento), podemos decir entonces que el diodo estaba operando en su región de ruptura, pero cercano al límite impuesto por su corriente máxima. REFERENCIAS [1] [2] Malik, N. Circuitos Electronicos. Análisis, Simulación Y Diseño. Prentice Hall, 1996 Boylestad, N. Electronica: Circuitos y Dispositivos. Prentice Hall Latinoamerica. 2005 Eric Santiago Granda Tobón: 1037620403, 04, Ingeniería Eléctrica, 6 Daniel Ramírez Castañeda:1042064102, 04, Ingeniería Eléctrica, 6. El por qué de este fenómeno, es la conclusión