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Práctica 01 – 05 – agosto 15/ 2013 – periodo 2013/03
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.
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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
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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
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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.
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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.