Manual de prácticas de Laboratorio Electrónica Analógica I

Ingeniería de Telecomunicaciones Universidad de Medellín

2010

Diana María Gómez JaramilloIngeniera Electrónica Docente de Cátedra

2

Manual de Prácticas de Laboratorio

Electrónica Analógica I

Docente: IEO. Diana María Gómez Jaramillo

Ingeniería de Telecomunicaciones

3

Contenido Recomendaciones generales para el laboratorio ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 4

Al comenzar un laboratorio siempre se debe: ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 4

Durante el laboratorio se debe prestar atención a: ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 4

Al finalizar el laboratorio se debe: ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 4

Para tener en cuenta ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 4

Prácticas de laboratorio ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 5

Práctica 1 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 6

NETLIST EN PSPICE ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 6

Práctica 2 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 13

CONCEPTOS BÁSICOS DE DIODOS ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 13

Práctica 3 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 17

OTROS TIPOS DE DIODOS Y APLICACIONES ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 17

Práctica 4 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 20

DAQ EN LABVIEW ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 20

Práctica 5 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 22

MONTAJES CON EL TRANSISTOR ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 22

Práctica 6 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 26

APLICACIÓN CON EL TRANSISTOR BJT: Amplificador lineal de pequeña señal ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 26

Práctica 7 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 28

AMPLIFICADOR MOSFET ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 28

Práctica 8 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 31

TRIAC ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 31

4

1 Recomendaciones generales para el laboratorio Al comenzar un laboratorio siempre se debe: 1. Verificar el buen funcionamiento de TODOS los equipos de laboratorio. 2. Revisar la continuidad de TODOS los cables y caimanes que se necesiten durante la práctica. 3. Adquirir todos los materiales necesarios para la práctica. 4. Tener conocimiento de las posibles causas de accidente y la respectiva acción en caso de

presentarse (Tomas eléctricos, equipos contra incendios, etc.) Durante el laboratorio se debe prestar atención a: 1. Tomar los datos y gráficas que se piden. 2. Preguntar TODO lo que no se comprenda. 3. Temperatura de los dispositivos en uso. 4. Alarmas de los equipos de laboratorio (Sobre corrientes, respuestas inadecuadas, etc.) 5. Escribir las conclusiones DURANTE y no después de los procedimientos.

Al finalizar el laboratorio se debe: 1. Tener por lo menos 3 conclusiones (No incluya muy, gran, pequeño, etc., sea objetivo. Tampoco

concluya cosas obvias, por ejemplo: La teoría se parece MUCHO a la práctica ) 2. Dejar todo como se encontró. 3. Entregar el informe respectivo. 4. Revisar que los equipos de laboratorio queden apagados. 5. Informar cualquier irregularidad.

Para tener en cuenta

La práctica comienza a las 16:00 pm y termina a las 17:45 pm para el grupo 1, para el grupo 2, la práctica comienza a las 18:00 pm y termina a las 19:45 pm por tanto se deben pedir los elementos faltantes de laboratorio (resistencias, capacitares, etc.) con tiempo para no generar retrasos. Tenga presente que, por lo anterior, la práctica dura una hora con cuarenta y cinco minutos, así que se recomienda que realice de manera preliminar simulaciones y montajes que le ayuden a agilizar su trabajo en el laboratorio y optimizar el tiempo invertido en el mismo.

No olvide traer el delantal o bata de trabajo, sin ella no podrá ingresar al laboratorio a realizar la práctica.

5

2 Prácticas de laboratorio

6

Práctica 1

NETLIST EN PSPICE Objetivo: Conocer y manejar con destreza la herramienta de simulación PSpice usando modo texto (netlist). 1. Equipo y material necesario

- Computador con PSpice

2. Estudio previo

• Para la realización de esta práctica es importante leer la sintaxis usada en PSpice para

simular circuitos en modo texto. • El estudiante debe consultar en la bibliografía del curso características generales y esquemas

circuitales de: circuitos RC pasabajas, circuitos rectificadores, circuito divisor de voltaje y amplificadores inversores.

Sintaxis usada en PSpice para simular circuitos en modo texto

TITLE STATEMENT ELEMENT STATEMENTS . COMMAND (CONTROL) STATEMENTS OUTPUT STATEMENTS .END <CR>

a. Independent DC Sources Voltage source: Vname N1 N2 Type Value Current source: Iname N1 N2 Type Value

The name of a voltage and current source must start with V and I, respectively. Examples: Vin 2 0 DC 10 Is 3 4 DC 1.5

b. Dependent Sources Voltage controlled voltage source: Ename N1 N2 NC1 NC2 Value Voltage controlled current source: Gname N1 N2 NC1 NC2 Value Current controlled voltage source: Hname N1 N2 Vcontrol Value Current controlled current source:

7

Fname N1 N2 Vcontrol Value

c. Resistors Rname N1 N2 Value

d.Capacitors (C) and Inductors (L) Cname N1 N2 Value <IC> Lname N1 N2 Value <IC>

Cap5 3 4 35E-12 5 L12 7 3 6.25E-3 1m

e. Mutual Inductors

Kname Inductor1 Inductor2 value_of_K

The value of K must be larger than 0 but smaller than 1.

L1 3 5 10M L2 4 7 3M K L1 L2 0.81

f. Ideal Transformer

K close to one (ex. K=0.99999)

g. Sinusoidal sources Vname N1 N2 SIN (VO VA FREQ TD THETA PHASE)

VO - offset voltage in volt. VA - amplitude in volt. f = FREQ - the frequency in herz. TD - delay in seconds THETA - damping factor per second Phase - phase in degrees

VG 1 2 SIN (5 10 50 0.2 0.1) VG2 3 4 SIN (0 10 50)

h. Piecewise linear source (PWL) Vname N1 N2 PWL (T1 V1 T2 V2 T3 V3 ...) in which (Ti Vi) specifies the value Vi of the source at time Ti Example: Vgpwl 1 2 PWL (0 0 10U 5 100U 5 110U 0)

8

i. Pulse Vname N1 N2 PULSE (V1 V2 TD Tr Tf PW Period) V1 - initial voltage; V2 - peak voltage; TD - initial delay time; Tr - rise time; Tf – fall time; pwf - pulse-wise; Period - period.

j. Voltage-controlled Switches

Sname N1 N2 C1 C2 Mname

N1 and N2 are the terminals of the switch. C1 and C2 are the controlling terminals.

.MODEL Mname Dname (Pvalues)

Example: S15 3 5 8 9 SMOD .MODEL SMOD VSWITCH (RON = 10, VON = 0, ROFF = 100MEG)

k. Semiconductor Devices

Most of the elements that have been described above require only a few parameters to specify its electrical characteristics. However, the models for semiconductor devices require many parameter values. A set of device model parameters is defined in a separate .MODEL statement and assigned a unique name. .MODEL MODName Type (parameter values)

MODName is the name of the model for the device. The Type refers to the type of device and can be any of the following:

9

• D: Diode • NPN: npn bipolar transistor • PNP: pnp bipolar transistor • NMOS: nmos transistor • PMOS: pmos transistor • NJF: N-channel JFET model • PJF: P-channel JFET model

k1. Diode Element line: Dname N+ N- MODName Model statement: .MODEL MODName D (IS= N= Rs= CJO= Tt= BV= IBV=)

As an example, the model parameters for a 1N4148 commercial diode are as follows: .model D1N4148 D (IS=0.1PA, RS=16 CJO=2PF TT=12N BV=100 IBV=0.1PA) k2. Bipolar transistors Element line: Qname C B E BJT_modelName Model statement: .MODEL BJT_modName NPN (BF=val IS=val VAF=val)

As an example, the model parameters for the 2N2222A NPN transistor is given below: .model Q2N2222A NPN (IS=14.34F XTI=3 EG=1.11 VAF= 74.03 BF=255.9 NE=1.307 ISE=14.34F IKF=.2847 XTB=1.5 BR=6.092 NC=2 ISC=0 IKR=0 RC=1 CJC=7.306P MJC=.3416 VJC=.75 FC=.5 CJE=22.01P MJE=.377 VJE=.75 TR=46.91N TF=411.1P ITF=.6 VTF=1.7 XTF=3 RB=10)

k3. Mosfets Element: Mname ND NG NS &ltNB> ModName L= W= The MOS transistor name (Mname) has to start with a M; ND, NG, NS and NB are the node numbers of the Drain, Gate, Source and Bulk terminals, respectively. ModName is the name of the transistor model (see further). L and W is the length and width of the gate (in m). Model statement: .MODEL ModName NMOS (KP= VT0= lambda= gamma=) in which KP=uCox and VTO is the threshold voltage. The default values are KP=20uA/V2; and the rest is equal to 0. l. Operational Amplifiers An operational amplifier can be simulated in different ways. An option uses actual transistors to model the opamp. The device library contains nonlinear models of the most common op amps. The student version of PSpice has macromodels for the linear amplifiers LM324 and uA741 which are included in the EVAL.LIB file. SPICE code for the 741 opamp (ref: Macromodeling with Spice, by J.A.

10

Connelly/P. Choi) * Subcircuit for 741 opamp .subckt opamp741 1 2 3 * +in (=1) -in (=2) out (=3) rin 1 2 2meg rout 6 3 75 e 4 0 1 2 100k rbw 4 5 0.5meg cbw 5 0 31.85nf eout 6 0 5 0 1 .ends opamp741 Using a subcircuit The element statement for a subcircuit is similar to any other element. The format is as follows: Xname N1 N2 N3... SUBNAME in which Xname refers to the element (subcircuit) being used; N1, N2, N3 are the nodes to which the external nodes of the subcircuit are being connected, and SUBNAME is the name of the subcircuit being used. An example of an inverting opamp circuit using the subcircuit of the the uA741 (see operational amplifiers above) is given below. The subcircuit is called x1. vs 1 0 dc 5 r1 1 2 200 rf 2 3 1k *X1 (nodo+) (nodo-) (nodo_V+) (nodo_V-) (nodo_out) (name) x1 0 2 3 UA741 .LIB EVAL.LIB .dc vs 0 10 1 .plot dc v(3) .end Type of Analysis .DC Statement This statement allows you to increment (sweep) an independent source over a certain range with a specified step. The format is as follows: .DC SRCname START STOP STEP in which SRC name is the name of the source you want to vary; START and STOP are the starting and ending value, respectively; and STEP is the size of the increment. Example: .DC V1 0 20 2

You can nest the DC sweep command which is often used to plot transistor characteristics, such as the Drain current ids versus the Drain-source voltage Vds for different gate voltages Vgs. This can be done as follows: .DC SRCname1 START STOP STEP SRCname2 START STOP STEP Example: .DC Vds 0 5 0.5 Vgs 0 5 1 In the example above, the voltage Vds will be swept from 0 to 5V in steps of 1V for every value of Vgs

11

.TRAN Statement This statement specifies the time interval over which the transient analysis takes place, and the time increments. The format is as follows: .TRAN TSTEP TSTOP <TSTART <TMAX>> <UIC>

.AC Statement This statement is used to specify the frequency (AC) analysis. The format is as follows: .AC LIN NP FSTART FSTOP .AC DEC ND FSTART FSTOP .AC OCT NO FSTART FSTOP in which LIN stands for a linear frequency variation, DEC and OCT for a decade and octave variation respectively. NP stands for the number of points and ND and NO for the number of frequency points per decade and octave. FSTART and FSTOP are the start and stopping frequencies in Herz Example: .AC DEC 10 1000 1E6

.PARAM Statement Example 1: RL N1 N2 Rvar .PARAM Rvar=Value1 .STEP LIN PARAM RVAR Value1 Value2 STEP Example 2: R L N1 N2 Rvar .param Rvar=Value1 .step lin param Rvar list (Value1 value2 Value3) Output Statements

.PRINT TYPE OV1 OV2 OV3...

.PLOT TYPE OV1 OV2 OV3... in which TYPE specifies the type of analysis to be printed or plotted and can be: • DC • TRAN • AC The output variables are OV1, OV2 and can be voltage or currents in voltage sources.Node voltages and device currents can be specified as magnitude (M), phase (P), real (R) or imaginary (I) parts by adding the suffix to V or I as follows: M: Magnitude DB: Magnitude in dB (deciBells) P: Phase R: Real part I: Imaginary part Examples: .PLOT DC V (1,2) V (3) I (Vmeas) .PRINT TRAN V (3,1) I (Vmeas) .PLOT AC VM (3,0) VDB (4,2) VM (2,1) VP (3,1) IR (V2)

12

3. Trabajo de laboratorio

3.1 Simular un circuito RC Pasabajas. Realizar un análisis en Frecuencia para distintos valores de C con R=1k.

Usar una fuente con las siguientes características • VAC de 1Vp amplitud • Graficar el diagrama de bode de magnitud de la respuesta en frecuencia del circuito y

el voltaje sobre el capacitor.

Para el mismo circuito anterior, realizar una simulación en el tiempo y observar la carga y la descarga del capacitor simulando diferentes valores de C. Usar una fuente con las siguientes características:

• Fuente pulsada del 50% de DUTY amplitud de 5Vp y un offset de cero voltios.

Nota: Tener en cuenta que el tiempo de carga y descarga del Capacitor se obtiene en 5 constantes de tiempo T=R*C. Visualizar 3 periodos de la señal.

3.2 Simular un circuito rectificador de media onda usando un diodo semiconductor ideal (VD=0), la señal de excitación es de tipo senoidal de amplitud 5Vp a una frecuencia de 60Hz y una resistencia de carga de 1k. Observar la salida del circuito.

Repetir el procedimiento anterior para un diodo comercial D1N4002 (VD=0.7)

3.3 Simular un circuito divisor de voltaje con dos resistencias R1=10k y R2 VARIABLE. Usar una

fuente DC de 10V. Realizar una parametrización de R2 para 5 valores distintos. Observar la salida de voltaje.

3.4 El siguiente circuito representa un Amplificador inversor con ganancia de 5. Parametrizar el

valor de rf para obtener distintas ganancias de voltaje. vs 1 0 sin(0 100m 1k) v2 4 0 DC 12 v3 5 0 DC -12 r1 1 2 200 rf 2 3 1k x1 0 2 4 5 3 UA741 .LIB EVAL.LIB .tran 10u 3m 0.1n .probe .end

4. Conclusiones

13

Práctica 2

CONCEPTOS BÁSICOS DE DIODOS Objetivo: Identificar el diodo como un dispositivo electrónico práctico, mediante los siguientes pasos: identificación de los principales parámetros de un diodo en su hoja de especificaciones y en su modelo de simulación, verificación del funcionamiento del diodo mediante la simulación de circuitos sencillos y una experimentación sencilla que permita comprobar los conceptos teóricos básicos y los resultados de simulación obtenidos acerca del diodo. 1. Equipo y material necesario

- Computador con PSpice - Diodos 1N4004 - Resistencias de 1kΩ y 100kΩ - Transformador - Board - Multímetro - Osciloscopio - Generador - Fuente

2. Estudio previo

• Estudie las hojas de especificaciones de la familia de diodos rectificadores 1N400X (1N4001 a 1N4007), verifique las características más importantes de estos. Establezca, según las especificaciones, las principales diferencias entre los diodos de esta familia, escriba sus observaciones al respecto.

• En su informe de simulación anexe una tabla donde compare las características más importantes de dichos diodos (voltaje de conducción, de ruptura inversa, máxima corriente, etc.)

• Cuáles son los parámetros más importantes del modelo del diodo en SPICE? Verifique el modelo del diodo 1N4002 en la librería eval.lib y consulte que significan cada uno de estos.

3. Trabajo de laboratorio

3.1 Simule en PSPICE el circuito mostrado en la figura 1 utilizando para ello el diodo 1N4002. Realice un barrido DC del voltaje de entrada y obtenga la curva característica del diodo, ID vs VD. Marque sus puntos más importantes, anexe sus observaciones y conclusiones. R=1kΩ.

14

Figura 1. Circuito básico para caracterizar un diodo.

Figura 2. Circuito rectificador de voltaje de media onda.

Figura 3. Circuito rectificador de voltaje de onda completa.

Figura 4. Circuito rectificador de voltaje de onda completa con puente de diodos.

15

3.4 Simule en PSPICE modo texto, los circuitos rectificadores de las figuras 2, 3 y 4. En cada caso, considere que el voltaje en el primario del transformador es sinusoidal de 120V RMS y 60Hz, el voltaje de salida en el secundario debe ser 12V RMS, los diodos son todos 1N4002 y el resistor de carga es de 100KΩ. Obtenga gráficos del voltaje del secundario del transformador, el voltaje en los diodos, el voltaje en el resistor de carga, los voltajes pico, DC y RMS de salida en cada rectificador. Considere primero diodos ideales, luego considere diodos modelados por una caída de voltaje constante de 0.7V en polarización directa y lleve los resultados a la tabla1.

Tabla 1. Cálculos de voltajes DC y RMS de salida en circuitos rectificadores. PARTE EXPERIMENTAL:

3.5 Construya el circuito de la figura 1 utilizando un diodo 1N4004, un resistor de 1KΩ, y un voltaje de alimentación sinusoidal de amplitud 10V y frecuencia 60Hz. 3.6 Implementación de circuitos rectificadores de voltaje con diodos. Construya cada uno de los circuitos rectificadores de las figuras 2, 3 y 4. Utilice el transformador de referencia 509 y alimente el primario con 120V RMS y 60Hz, tome la salida del secundario de 12V RMS; utilice diodos 1N4004 y un resistor de carga de 100kΩ. Para cada circuito, verifique en el osciloscopio la forma de onda del voltaje en el secundario del transformador, del voltaje de salida (en el resistor de carga) y del voltaje en un diodo. Escriba sus observaciones. Para cada circuito determine, utilizando el osciloscopio, el voltaje pico del secundario, los voltajes pico, DC, y RMS de salida de los diodos. Lleve sus medidas a la tabla 2. Utilice las expresiones de la tabla 1 para verificar los voltajes determinados en el osciloscopio. Escriba sus observaciones al respecto.

16

Tabla 2. Medidas de voltaje en circuitos rectificadores. 4. Conclusiones

17

Práctica 3

OTROS TIPOS DE DIODOS Y APLICACIONES Objetivo: Identificar algunas aplicaciones con diferentes tipos de diodos después de haber conocido la teoría general de estos dispositivos y haber estudiado algunos de sus usos más comunes. 1. Equipo y material necesario

- Diodo LED - Diodos 1N4004 - Diodo Zener de 4.7 ó 5.1V - Resistencias 100Ω, 220Ω, 330Ω, 470Ω, 10kΩ, 2.2kΩ - Regulador LM317 - Potenciómetro de 5k - Condensadores 1000uF - Multímetro - Generador - Osciloscopio - Computador con PSpice

2. Estudio previo

• Consulte la hoja de especificaciones del regulador LM317 e identifique sus principales características, es importante para la parte de diseño.

• Simule previamente los circuitos con el fin de conocer su respuesta de salida antes de realizar el montaje en el laboratorio.

3. Trabajo de laboratorio

3.1 Analice las cuatro aplicaciones mostradas a continuación, explique claramente el funcionamiento de cada una. Diseñe cada una de las cuatro aplicaciones, definiendo usted mismo, las entradas a los circuitos (señales y polarizaciones) y los componentes necesarios. En algunos casos, usted debe diseñar circuitos que cumplan con ciertas condiciones especificadas. Luego, construya las cuatro aplicaciones diseñadas y verifique su funcionamiento en el laboratorio. 3.2 Circuito con diodo LED. Para el siguiente circuito, determine el valor de la resistencia Rs para una corriente normal de operación del diodo de 15mA.

18

3.3 Polarice el diodo LED en directa y en inversa, describa lo que observa en ambos casos. Mida el voltaje que cae en sus terminales.

3.2.1 Cambie la resistencia Rs por una de un valor mayor, escriba lo que ocurre y explique el porqué de la situación observada. 3.2.2 Intercambie de posición el diodo LED y la resistencia, conecte el osciloscopio a la salida del diodo, la fuente de señal Vs será de tipo Sinusoidal, con frecuencia de 1KHz y 5Vpp. Describa sus observaciones al respecto. Capture gráficas.

3.4 Fuente de voltaje DC regulada ajustable. Su diseño debe garantizar que la fuente entregue hasta 18V DC y una corriente no menor de 1A.

Anexe su diseño al informe.

3.5 Regulador de voltaje DC con diodo Zener. Utilice el generador de señales para alimentar el circuito como se especifica a continuación. Se debe alimentar una carga con un voltaje de alrededor de 5V DC y una corriente de hasta 0.2A. Tenga especial cuidado con la potencia disipada en el diodo y la resistencia.

Anexe su diseño al informe.

3.5.1 Compruebe con el osciloscopio la rectificación de onda completa entre la tierra y la salida del puente rectificador (nodos a y b), para esto se debe quitar el condensador. Capture gráficas. 3.5.2 Coloque ahora el condensador y mida la salida del mismo colocando el osciloscopio entre la tierra y la salida del condensador (nodos b y c), observe el efecto producido por el condensador en la señal. Capture gráficas.

19

3.5.3 Mida ahora sobre la resistencia RL a la salida del diodo zener (nodos b y d) y observe el rizado de la señal. Anote las observaciones al respecto. Capture gráficas.

3.6 Simule los circuitos de los numerales 3.1 y 3.4, y compare con los resultados obtenidos en el laboratorio.

4. CONCLUSIONES

20

Práctica 4

DAQ EN LABVIEW Objetivo: Aprender a configurar desde una aplicación en LabView, una tarjeta de adquisición de datos DAQ y desarrollar competencias en el manejo de herramientas informáticas

1. Equipo y material necesario

- PC con LabView - Tarjeta de Adquisición de datos

2. Estudio previo • Consultar cuáles son las aplicaciones más comunes en las que se utiliza Labview? • Qué otros sistemas Scada (Supervisory Control and Data Acquisition; en español, registro de

datos y control de supervisión) se pueden conseguir en el mercado? • Describa las principales diferencias y/o similitudes de los sistemas Scada consultados. • Para qué se puede utilizar una tarjeta de adquisición de datos? • Consultar con el técnico de laboratorio o en el manual de las tarjetas de adquisición de datos,

las principales características de la tarjeta (ver figura 1):

Figura 1. Bornera DAQ

o Número de puertos análogos de entrada y salida y pines de conexión o Número de puertos digitales de entrada y salida y pines de conexión

• Cómo funciona en LabView la herramienta DAQ assistant?

Figura 2. Ventanas de LabView para acceder a la herramienta DAQ Assistant

21

3. Trabajo de Laboratorio Se debe generar el siguiente código en LabView para aprender a manejar los puertos de entrada y salida, digitales y análogos, de la tarjeta de adquisición de datos

3.1 Detallar los procedimientos realizados en el laboratorio para la configuración de la tarjeta de adquisición de datos y realizar un manual de usuario que contenga, en resumen, las herramientas más usadas en Labview.

4. Conclusiones

22

Práctica 5

MONTAJES CON EL TRANSISTOR Objetivos:

Identificar los distintos modos de operación de un transistor BJT, tanto de uno tipo NPN como un PNP.

Conocer algunas aplicaciones del transistor bipolar operando en región activa, corte y saturación.

Verificar el funcionamiento y posibles aplicaciones de un Relé. 1. Equipo y material necesario

- Transistores 2N2222 y 2N3906 - Resistencias 100Ω, 180Ω, 220Ω, 1kΩ, 10kΩ, 12kΩ, 330kΩ - Potenciómetro de 10k - Condensadores 2.2uF, 22uF, 4.7uF - Diodo LED - Diodo 1N4148 - Bombilla incandescente 110V - Relé de 12V - Fuente - Osciloscopio - Multímetro - Computador con PSpice

2. Estudio previo

• Consulte que es un relé, cuál es su principio de funcionamiento, aplicaciones y recomendaciones de uso. ¿Qué precauciones deben tenerse en cuenta para conmutar cargas inductivas?

• Estudie las hojas de especificaciones de los transistores 2N2222 y 2N3906, verifique las especificaciones más importantes de estos, establezca, según las especificaciones, las principales diferencias. Escriba sus observaciones al respecto.

3. Trabajo de laboratorio

3.1 SIMULACIÓN

3.1.1 Utilice los esquemas de la figura 1 para obtener las curvas características del transistor (IC vs VCE), identifique en dichas curvas cada una de las regiones del transistor (Activa, Saturación y Corte). En el circuito 1, realice barridos del voltaje VCC entre 0 y 20 V, para valores de VBB de 0, 1, 2, 3, 4 y 5 V. En el circuito 2, realice barridos del voltaje VCC entre 0 y -20V, para valores de VBB de 0, -1, -2, -3, -4 y -5 V.

23

Figura 1

3.1.2 Realice la simulación del circuito de la figura 2 y obtenga las corrientes en todas las ramas y los voltajes en todos los nodos (circuito de polarización del transistor, análisis en DC).

Figura 2

3.1.3 Realice una tabla que indique la zona de operación del transistor de acuerdo a los valores de voltaje simulados. 3.1.4 Realice la simulación de la figura 3 y obtenga las graficas de las señales de entrada Vi e Ii y las señales de salida Vo e Io. Indique la ganancia de voltaje y corriente del circuito.

24

Figura 3 3.2 EXPERIMENTO

3.2.1 Monte el circuito de la figura 2 y mueva R7 hasta obtener un VCE = 6V. Mida los voltajes de base, colector y emisor del transistor y realice un cuadro indicando dichos voltajes y la zona de operación del transistor. Compare los datos obtenidos con la simulación respectiva. 3.2.2 Monte el circuito de la figura 3, aplique a la entrada una señal sinusoidal de 150mVpp (en caso de no ser posible esta amplitud, ajuste el generador a la señal más pequeña que éste le proporcione) a una frecuencia de 1 kHz. Mida y observe en el osciloscopio las gráficas de Vi y Vo. Describa la relación de fase entre ambas ondas. 3.2.3 Construya las siguientes aplicaciones y verifique su funcionamiento en el laboratorio.

Figura 4

25

3.2.4 Para el circuito de la figura 4, mida el voltaje en todos los nodos y calcule la corriente en todas las ramas. Realice este procedimiento para los dos estados del interruptor, determine el modo de operación del transistor. Escriba a continuación sus observaciones sobre el funcionamiento del circuito e indique sus posibles usos. 3.2.5 Calcule el siguiente circuito de forma que el transistor opere en la región de saturación, asuma que el relé tiene una resistencia interna de 50 Ohm y que el voltaje de entrada es de 0 ó 5V. Realice el montaje y observe el funcionamiento.

Figura 5

Escriba a continuación sus observaciones sobre el funcionamiento del circuito e indique sus posibles usos. ¿Cuál es la utilidad del diodo D1?

4. Conclusiones

26

Práctica 6

APLICACIÓN CON EL TRANSISTOR BJT: Amplificador lineal de pequeña señal Objetivo: Comprobar el funcionamiento del transistor como amplificador de pequeña señal y determinar su respuesta en frecuencia. 1. Equipo y material necesario

- Transistor 2N3904 - Resistencias de 50Ω, 220Ω, 1kΩ, 2.2kΩ, 4.7kΩ, 15kΩ, 22kΩ, 68kΩ, 100kΩ - 5 Capacitores de 100nF - Potenciómetro - Fuente - Generador - Multímetro - Osciloscopio - Computador con PSpice

2. Estudio previo • Estudie el funcionamiento del transistor como amplificador lineal, para lo cual revise los

conceptos de operación en región activa y respuesta en frecuencia. También es necesario estudiar la hoja de datos del transistor 2N3904. Escriba sus observaciones al respecto.

• Estudie los conceptos de frecuencia de corte y ancho de banda de un amplificador. Escriba sus observaciones al respecto.

3. Trabajo de laboratorio Simule el circuito de la figura 1 en netlist, para esto siga los mismos procedimientos que se describen en la parte experimental.

Figura 1. Amplificador lineal de pequeña señal.

27

PARTE EXPERIMENTAL 3.1 Monte el circuito de la figura 1, donde V2 es una señal seno de 100mv de amplitud y 3KHz, R12 es una resistencia variable de máximo 100 ohm y R9 es otra resistencia variable de 1K ohm a 10K ohm. Tenga en cuenta que todos los capacitores deben ser cerámicos.

3.2 Ajuste R12 a 50 ohm y R9 a 1k ohm. Determine la ganancia del amplificador en cada etapa. 3.3 Mida la señal de salida en el colector de Q2 y capture la gráfica, luego mida la señal después del

capacitor de salida (C9) y capture gráfica. Qué función cumple el capacitor. Saque conclusiones al respecto.

3.4 Manteniendo la frecuencia de 3KHz, aumente la amplitud de la señal de entrada lentamente.

Qué se puede observar?

3.5 Varíe R12 y R9, observe y describa que pasa con la ganancia de voltaje en cada una de las etapas.

4. Conclusiones.

28

Práctica 7

AMPLIFICADOR MOSFET Objetivos:

Medir los voltajes de operación de cd de un amplificador de voltaje con MOSFET. Verificar el funcionamiento de un amplificador de voltaje con MOSFET y determinar su

ganancia de voltaje. 1. Equipo y material necesario

- MOSFET IRF540 - Resistencias de 10MΩ, 4.7kΩ, 6kΩ y 50kΩ - Capacitores de 100nF y 1uF - Generador de señales - Fuente - Multímetro - Osciloscopio - Computador con PSpice

2. Estudio previo

• Consulte el datasheet del transistor IRF540 y del IRF640. Consulte sus principales

características y establezca algunas diferencias entre ellos. • Consulte la estructura física y modos de operación del MOSFET. Comente las principales

características encontradas.1 • Consulte los parámetros del MOSFET en PSpice.

3. Trabajo de laboratorio 3.1 Monte el circuito que representa el siguiente código y mida con el multímetro los voltajes y la

corriente de polarización del transistor. (VGS, VDS, ID). Lleve sus mediciones a la tabla1.

Amplificador MOSFET polarización R1 3 4 10meg RD 6 4 6k R2 3 0 10meg *Mname ND NG NS NB ModName L= W= Mmitransistor 6 3 5 5 IRF540 L=20u W=20u .model IRF540 NMOS(KP=1m VTO=1) RS 5 0 6k Vdd 4 0 DC 10 .tran 10n 5m 0.1n 1u .probe .end

1 SEDRA/SMITH. CIRCUITOS MICROELECTRÓNICOS 4ed. Capítulo 5. Pág. 354‐360.

29

3.2 Simule el anterior código. Capture las graficas de los voltajes y la corriente de polarización del transistor. (VGS, VDS, ID). Lleve los datos obtenidos en la simulación a la tabla1.

NOTA 1: El punto de operación del transistor depende de sus características físicas (W, L). Para obtener una mayor aproximación entre la simulación y las mediciones en el laboratorio, es necesario consultar el manual técnico del MOSFET usado y encontrar el valor de esos parámetros. En caso de no hallarlos, se podrá variar experimentalmente los valores de L y W a valores que hagan coincidir los voltajes y las corrientes de polarización del transistor.

VGS VDS ID

Teórico (Pspice) Medida Multímetro Modo Operación

Tabla 1. 3.3 Ajuste el generador de señales para una salida de onda senoidal a una frecuencia de 1kHz y

una amplitud de 200 mVpp. Conéctelo a la entrada del amplificador MOSFET como lo indica el siguiente circuito, conecte también los resistores y capacitores que allí aparecen:

Figura 1.

3.4 Simule en PSpice el anterior diagrama en netlist y obtenga gráficas de la salida con respecto

a la entrada del circuito, indique la ganancia. NOTA 2: Utilice el mismo modelo del transistor simulado en el numeral 3.2 para simular el circuito de la figura 1.

3.5 Mida la señal de salida del amplificador con ayuda del osciloscopio y compárela con la

simulación del circuito anterior. Capture gráficas y llene la tabla 2:

30

Vop Vip Vop / Vip Simulación Medida Osciloscopio

Tabla 2.

3.6 Parametrice el valor de la resistencia de carga RL, Obtenga gráficas para los distintos valores de la señal de entrada contra la señal de salida (Ganancia).

4. Conclusiones

31

Práctica 8

TRIAC Objetivo: Conocer el funcionamiento del TRIAC como dispositivo semiconductor de la familia de los transistores. 1. Equipo y material necesario

- TRIAC BTA08 - Diodo LED - Diodo 1N4007 - Potenciómetro de 10k - 2 Resistencias de 1kΩ - Capacitor de 2.2Uf - Fuente - Generador - Multímetro - Osciloscopio

2. Estudio previo Consulte el funcionamiento de un TRIAC, clases, voltajes y corrientes que maneja. Explique la diferencia con un tiristor. 3. Trabajo de laboratorio

3.1 Monte el circuito sin los diodos, observe y mida con el osciloscopio el voltaje de entrada y el voltaje en el condensador variando el potenciómetro. (Carga=1kΩ)

3.2 Monte el circuito de disparo incluyendo el diodo LED y el 1N4007 y con ayuda del osciloscopio mida y visualice el voltaje en el capacitor, compare con la experiencia anterior donde no se incluían los diodos. Observe también el voltaje en la carga y en el SCR simultáneamente y con ayuda del osciloscopio varíe el ángulo de disparo.

32

3.3 Con ayuda del potenciómetro haga un ajuste del ángulo de disparo en 60o, 90o y 120o.

Capture con el osciloscopio los 3 casos y mida voltaje promedio y voltaje eficaz.

3.4 Realice un cuadro comparativo donde describa detalladamente lo que sucede en el circuito en cada uno de los ángulos de disparo.

4. Conclusiones