EXPERIMENTO: CURVA CARACTERÍSTICA DE DIODOS

I.OBJETIVOS GENERALES:Al finalizar el experimento el estudiante estará en la capacidad de describir en términos de sus características eléctricas el funcionamiento de os diodos de silicio ,germano, diodos zener y los diodos emisores de luz (leds) .Estara tambin capacitado para establecer las diferencias entre todos ellos.

II. OBJETIVOS ESPECIFICOS:1. Comprobar el estado de diodos de silicio y germanio utilizando multímetros

digitales.2. Utilizar diferentes métodos para obtener la curva característica de diodos.

III. CUESTIONARIO PREVIO:

1. En varios laboratorios del presente curso deberán aislarse las tierras entre generadores, fuentes y el osciloscopio. Investigue por que este aislamiento es necesario. ¿Qué ocurre al circuito de la figura 2 si no se aíslan las tierras?

. • En el sistema de red, el potencial de referencia es la tierra física, considerada 0 Voltios: la referencia está enterrada en el terreno mismo.

• PE está conectado a las partes metálicas de los dispositivos eléctricos.

– Garantiza que toda superficie metálica que puede entrar en contacto con personas o animales esté al potencial de tierra.

• En el sistema de red, el potencial de referencia es la tierra física, considerada 0 Voltios: la referencia está enterrada en el terreno mismo.

•La tierra de protección (PE) es un conductor de protección para personas y animales exigido por la ley.

De lo contrario el cuerpo o la entrada de blindaje de la entrada del osciloscopio puede establecer un contacto a tierra de un polo de la red, que haga saltar los interruptores diferenciales, y quizá fundir algún fusible interno o peor, destruir algún semiconductor delicado.

2. Investigue el comportamiento de un diodo ideal, el funcionamiento de un diodo de unión pn, y el origen de las curvas características de los últimos ¿Qué significa que un diodo este polarizado en forma directa o inversa?

Un diodo ideal conducirá corriente en la dirección que define la flecha en el símbolo, y actuara como un circuito abierto en cualquier intento por establecer corriente en dirección opuesta.

FiguraNº1.paso de la corriente en el diodo

Grafica del comportamiento del diodo ideal.

FiguraNº2.grafica del comportamiento del diodo ideal

Diodo pn

Es un dispositivo electrónico semiconductor, generalmente construido de Silicio dopado, de una  juntura PN (formada por unión de una región P y catodo K asociado a la región N

Su más importante característica es la unidireccionalidad que adquiere la corriente a través de él, gracias a la baja resistencia que opone cuando el diodo está directamente polarizado y a la altísima resistencia que opone cuando está inversamente polarizado, lo cual es la base de su principal aplicación: la rectificación de corrientes alternas.

FiguraNº3.grafica del comportamiento del diodo pn

Si la corriente entra en el diodo por la parte del cristal P (triangulo) deja pasar la corriente. Se dice que el diodo esta polarizado directamente o tiene polarización directa. Como vemos en el siguiente circuito pasa corriente por lo tanto se prende el led.

FiguraNº4.polarizacion directa

Si la corriente entra en el diodo por la parte del cristal N (línea), no deja pasar corriente.se dice que es polarización inversa. Como vemos en el siguiente circuito no pasa corriente por lo tanto no se prende el led.

FiguraNº5.polarizacion inversa

3. Investigue qué función matemática describe el comportamiento de un diodo de unión pn y como es afectado por la temperatura.

El modelo matemático más empleado es el de Shockley, que permite aproximar el

comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga

la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:

Figura nº 6 Ecuación del diodo PN

Donde:

I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo

VD es la diferencia de tensión entre sus extremos.

IS es la corriente de saturación (aproximadamente  )

n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que

suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).

El Voltaje térmico VT es aproximadamente 25.85mV en 300K, una temperatura cercana

a la temperatura ambiente, muy usada en los programas de simulación de circuitos.

Para cada temperatura existe una constante conocida definida por:

Donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta de la unión pn,

y q es la magnitud de la carga de un electrón (la carga elemental).

4. investigue qué diferencia hay entre el comportamiento de diodos de germanio y de silicio

Los diodos de germanio se utilizan mejor en circuitos eléctricos de baja potencia. Las polarizaciones de voltaje más bajas resultan en pérdidas de potencia más pequeñas, lo que permite que el circuito sea más eficiente eléctricamente. Los diodos de germanio también son apropiados para circuitos de precisión, en donde las fluctuaciones de tensión deben mantenerse a un mínimo. Sin embargo, los diodos de germanio se dañan más fácilmente que los diodos de silicio. Los diodos de silicio son excelentes diodos de propósito general y se pueden utilizar en casi todos los circuitos eléctricos que requieran de un diodo. Los diodos de silicio son más duraderos que los diodos de germanio y son mucho más fáciles de obtener. Mientras que los diodos de germanio son apropiados para circuitos de precisión, a menos que exista un requisito específico para un diodo de germanio, por lo general es preferible utilizar diodos de silicio cuando se fabrique un circuito.

La caída de voltaje en un Diodo de Silicio es 0.7 voltios (en conducción) y el de Germanio la caída de voltaje es de 0.3 voltios también en conducción. 

5. Investigue el comportamiento y funcionamiento de los diodos emisores de luz (LED).

DIODO LED:

Los diodos LEDs son considerados dispositivos o elementos SSL (Solid State Lighting – Iluminación de estado sólido) y como cualquier otro tipo de semiconductor poseen también una construcción sólida o robusta. Además, su interior no contiene ningún tipo de gas, ni posee elementos frágiles como filamento o ampolla de cristal que se pueda romper, a diferencia de otros tipos de lámparas empleadas para iluminación en general como son, por ejemplo, las incandescentes, fluorescentes, CFL o las halógenas. Los diodos LEDs tampoco contienen mercurio (Hg) ni otros materiales tóxicos que puedan contaminar el medio ambiente.

FUNCIONAMIENTO DEL LED

La estructura del chip de los diodos LED, al contrario de lo que ocurre con los diodos comunes, no emplea cristales de silicio (Si) como elemento semiconductor, sino una combinación de otros tipos de materiales, igualmente semiconductores, pero que poseen la propiedad de emitir fotones de luz de diferentes colores cuando lo recorre una corriente eléctrica.

Un diodo LED emisor de luz roja, por ejemplo, emplea un chip compuesto por arseniuro de galio y aluminio (GaAlAs), mientras que para emitir luz azul utiliza un chip de nitruro de galio (GaN). Todas las combinaciones empleadas en la fabricación del chip de un diodo LED, poseen también dos polaridades o regiones diferentes: una negativa “N” correspondiente al cátodo y otra positiva “P” correspondiente al ánodo, al igual que ocurre con los diodos comunes de silicio (Si).

Para crear un diodo LED se unen también dos regiones “N” y “P”, como si de un diodo común se tratara. En el punto de unión o juntura de esas dos regiones se forma, igualmente, una barrera de potencial, cuya función es impedir el paso de los electrones desde la región negativa “N” hacia la positiva “P” cuando no se encuentran debidamente polarizados y los electrones no poseen la suficiente energía para poder atravesarla.

Cuando aplicamos a los extremos del LED una tensión o voltaje que permita polarizarlo directamente, los electrones provenientes de la fuente de suministro de corriente directa (C.D.) comienzan a fluir a través del diodo. Bajo esas condiciones, cada vez que un electrón en exceso con carga negativa (–) presente en la región “N” adquiere la suficiente energía como para poder vencer la resistencia que le ofrece la barrera de potencial, la atraviesa y se combina con un hueco positivo en exceso en la región “P”. En el mismo instante que ocurre esa combinación, la energía en exceso que adquirió dicho electrón para poder atravesar la barrera de potencial, se transforma en energía electromagnética, que libera, en ese preciso momento, en forma de fotón de luz.

FiguraNº 6.Diodo emisor de luz con la unión polarizada en sentido directo

Cuando estos portadores se recombinan, se produce la liberación de una cantidad de energía proporcional al salto de banda de energía del material semiconductor. Una parte de esta energía se libera en forma de luz, mientras que la parte restante lo hace en forma de calor, estando determinadas las proporciones por la mezcla de los procesos de recombinación que se producen.La energía contenida en un fotón de luz es proporcional a su frecuencia, es decir, su color. Cuanto mayor sea el salto de banda de energía del material semiconductor que forma el LED, más elevada será la frecuencia de la luz emitida.

FiguraNº7.Dido led

6. Investigue el comportamiento y funcionamiento del diodo zener y el origen de su curva característica.

El diodo zener basa su funcionamiento en el efecto zener, de ahí su nombre. Recordaremos que, en polarización inversa y alcanzada esta zona, a pequeños aumentos de tensión corresponden grandes aumentos de corriente.Este componente es capaz de trabajar en dicha región cuando las condiciones de polarización lo determinen y una vez hayan desaparecido éstas, recupera sus propiedades como diodo normal, no llegando por este fenómeno a su destrucción salvo que se alcance la corriente máxima de zener Imáx indicada por el fabricante.Lógicamente la geometría de construcción es diferente al resto de los diodos, estribando su principal diferencia en la delgadez de la zona de unión entre los materiales tipo P y tipo N, así como de la densidad de dopado de los cristales básicos.

Cuando el diodo esta polarizado inversamente, una pequeña corriente circula por él, llamada corriente de saturación IS, esta corriente permanece relativamente constante mientras aumentamos la tensión inversa hasta que el valor de ésta alcanza VZ, llamada tensión Zener (que no es la tensión de ruptura zener), para la cual el diodo entra en la región de colapso. La corriente empieza a incrementarse rápidamente por el efecto avalancha.En esta región pequeños cambios de tensión producen grandes cambios de corriente. El diodo zener mantiene la tensión prácticamente constante entre sus extremos para un amplio rango de corriente inversa.Obviamente, hay un drástico cambio de la resistencia efectiva de la unión PN.

7. Investigue como funciona un multímetro digital en su escala de medición de diodos.

Para la medición de diodos en un multímetro digital, se coloca el selector para medir resistencias (ohmios / ohms), sin importar de momento la escala. Se realizan las dos pruebas siguientes:

Se coloca el cable de color rojo en el ánodo de diodo (el lado de diodo que no tiene la franja) y el cable de color negro en el cátodo (este lado tiene la franja).

El propósito es que el multímetro inyecte una corriente continua en el diodo (este es el proceso que se hace cuando se miden resistores).

Si la resistencia que se lee es baja indica que el diodo, cuando está polarizado en directo, funciona bien y circula corriente a través de él (como debe de ser).

Si esta resistencia es muy alta, puede ser una indicación de que el diodo esté "abierto" y deba que ser  reemplazado.

Se coloca el cable de color rojo en el cátodo y el cable negro en el ánodo del diodo. En este caso como en anterior el propósito es hacer circular corriente a través

del diodo, pero ahora en sentido opuesto a la flecha de éste. Si la resistencia leída es muy alta, esto nos indica que el diodo se comporta como se

esperaba, pues un diodo polarizado en inverso casi no conduce corriente. Si esta resistencia es muy baja puede ser una indicación de que el diodo está en

"corto" y deba ser remplazado.

8. Busque los datos del fabricante de los diodos empleados en este experimento

IV. EVALUACION

1. Analice los datos de la Tabla 1. ¿Cómo se determina si los diodos funcionan?2. Con los datos obtenidos en la tabla 2 construya la gráfica VD vs ID compare con la gráfica

para el mismo diodo obtenido en el paso 4 del procedimiento.

Parámetros 1N4001 HLMPM200 1N5818

Tipo de diodo Rectificador LED rojo Rect.Schottky

Voltaje en directo 1.1V 1.7V 500MV

Corriente en directa máxima 1A 5 A 15Ma. 1A.

Voltaje de ruptura 50V 5v 30v

Corriente de saturación 30ª. ------ 500A

Disipación de potencia 30W. 135mW --------

Niveles de capacitancia 15Pf 20pF 110pF

Rango de temperatura de operación

-55 a175 ºC

55 a 100 ºC -65 a 125 ºC

Tiempo de recuperación 500nS 90nS <50nS

3. Explique las diferencias y similitudes en las curvas características de los diodos de silicio y germanio

La diferencia se centra en que el diodo de silicio trabaja como máximo con 0.7V a lo largo del circuito mientras que el germanio trabaja con 0.3V y el orden de la caída avalancha que sufre la corriente para cada diodo es inversamente proporcional.

4. ¿Cómo se puede explicar la ausencia de corriente inversa en ambos diodos?

En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominadacorriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos.

No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es despreciable.

5. Investigue que es la resistencia estática RD de un diodo. ¿Cómo se puede calcular?La resistencia estática R de un diodo se define como la relación entre la tensión y la corriente V/I. En un punto cualquiera de la característica tensión-corriente del diodo, la resistencia R es igual a la inversa de la pendiente de la línea que une el punto funcionamiento con el origen. La resistencia estática varía extraordinariamente con V e l y no es útil su empleo como parámetro.

Si la carga correspondiente al punto I se aplica de nuevo, el material se deformará elásticamente en valor Єe. Por tanto, en el punto I la deformación unitaria total consiste en las dos componentes Єp y Єe y estб dada por la ecuaciónЄ= Єp + ЄeEste material puede ser descargado y recargado cualquier número de veces desde el punto I y hasta éste. Por lo tanto,

Єe= σi/EEl labrado en frío de un material produce un nuevo conjunto de valores para las resistencias, como puede verse en los diagramas esfuerzo – deformación. Si el punto I está a la izquierda del punto U, es decir; si Pi<Pu, entonces la nueva resistencia cedente o de fluencia es:S´y = Pi/A´i = σoЄmi Pi<=PuDebido al área reducida, es decir, debido a A´i<Ao, la resistencia última también cambia y es:S´u= Pu/A´iPuesto que Pu= Su Ao, se halla, con la ecuación :S´u = SuAo/Ao(1-w) = Su/(1-W) Єi<=ЄuLo cual es válido cuando el punto I está a la izquierda del punto U.

6. Utilizando los resultados de los puntos 4 y 5 calcule la resistencia estática RD en polarización directa para los diodos de silicio y germanio, y en polarización inversa para los diodos Zener en los puntos de operación indicados en la Tabla 3.

7. Investigue que es la resistencia dinámica rDde un diodo y como se calcula.

Tanto la resistencia en directa como en inversa dependen en los diodos de la corriente que se encuentra circulando por los mismos ya que su característica no es lineal, sino que son función de su curva característica. Por otro lado en polaridad inversa como se trata de un diodo si hablamos en forma ideal se comporta como un circuito abierto, razón por la cual tu suposición de que es menor a 1 Ohm es incorrecta. Si miras la curva de la figura 2 (diodo en directa) y la curva 4 (diodo en inversa). puedes calcular la resistencia equivalente en cada punto de polarización del diodo dividiendo la tensión por la corriente que aparece en el grafico. 

8. Calcule el valor de la resistencia dinámica rD para los valores de corriente 2mA y 9mA en polarización directa para los diodos de silicio y germanio, y en polarización inversa para el diodo Zener.

9. ¿Cómo afecta la temperatura externa el funcionamiento de los diodos? ¿Cómo se desplaza la curva característica de un diodo ante un aumento de temperatura?

Aumenta la conductividad al producirse espontáneamente pares electrón-hueco. Los electrones de la banda de valencia al aumentar la temperatura pueden adquirir la energía suficiente para saltar a la banda de conducción. Al existir mayor número de electrones/huecos, aumenta la capacidad para transmitir una corriente eléctrica.

10. A partir del modelo matemático de la curva del diodo de silicio y la curva obtenida en el punto 4 determine la temperatura de la unión del diodo que usted utilizo.

IV . EQUIPOS Y COMPONENTES:

Fuente de voltaje V DC y fuente de voltaje V AC. Generador de funciones Oscilador de rayos catódicos orc Multímetro digital. Aislador de tierras Regleta digital Placa universal Resistencia de 1k Diodo de silicio 1N4001,ECG116) 1 DIODO DE GERMANIO (ECG109) 1 LED ROJO ,VERDE O AMARILLO 1 DIODO ZENER DE 3V O D 2.7V

V. PROCEDIEMIENTO:

1. Ubicar el selector del multímetro en la escala que corresponde al diodo de unión (identificada por su símbolo).

Polarice directamente el diodo 1N4004: conectando la punta “ROJA +” del multímetro con el ánodo, y la punta “NEGRA” con el cátodo (el terminal que se encuentra próxima a la franja plateada del diodo es el cátodo).

Anote en el recuadro el valor mostrado en el display del multímetro. Polarice inversamente al diodo y anote en el recuadro, el valor mostrado en el display

del multímetro.

Repita el procedimiento con diodo 1N4007:

Lectura en polarización directa: 665Lectura en polarización inversa: No se muestra nada (resistencia infinita)

Anote sus observaciones:

Cuando se da la lectura en polarización inversa del diodo, se puede observar que en el multímetro no se muestra nada, o sea que existe una resistencia infinita.

Anote su conclusión:

curva característica del diodo:

Implemente el circuito de la figura, conecte el osciloscopio y simule:

658 No se muestra nada

Grafica en simulación:

Grafica obtenida en el osciloscopio durante el laboratorio:

Datos:

De la figura anterior se puede observar todos los datos para el circuito simulado como por ejemplo.

Voltaje máximo= 6.60 v Voltaje mínimo= -3.40v VPP= 10.0v Frecuencia= 59.52 Hz,etc

Se puede observar el comportamiento de la cuerva característico del diodo.

rectificador de onda media:

Implementar el siguiente circuito:

Grafica del circuito simulado:

Grafica del circuito obtenido en el laboratorio:

Datos:

Voltaje máximo= 9.00 v Voltaje mínimo= -8.60v VPP= 17.6v Frecuencia= 59.52 Hz

Se observa la onda media rectificada.

VI.CONCLUSIONES:

En este laboratorio aprendimos el comportamiento de los semiconductores , su aplicación como rectificadores ,para el cambio de corriente alterna a continua pude conocer cómo se emplea los diodos de unión para rectificar la corriente , como se da el proceso para librar de impurezas a la corriente y de que también necesito filtros como lo son los condensadores

La corriente es un factor muy importante al momento de analizar el funcionamiento de un diodo.

Dependiendo de las condiciones del circuito el diodo puede trabajar simplemente como un interruptor abierto o cerrado.

Comprobamos la función del diodo de juntura estudiada al contrastar los resultados de la práctica de laboratorio y los resultados a partir de definiciones teóricas

VII. BIBLIOGRAFÍA:

Dispositivos electrónicos – Floy,Thomas L./ octava edición http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/mediciones/documentos/detector/

CAP2_REV1.PDF http://www.slideshare.net/jhoanspq/informe-3-dispo-11344187..01/10/13 Guía de laboratorio de dispositivos electrónicos.