Laboratorio 4_aplica Diodos

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERIA ELECTRICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS 1
 	
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN
Facultad De Ingeniería De Producción Y Servicios
Escuela Profesional De Ingeniería Eléctrica
Curso: Laboratorio De Circuitos Electrónicos 1 
APLICACIONES CON DIODOS – DIODO ZENER
Alumno: Barriga Gutiérrez Bryan Junior
 
Arequipa– 2019
EXPERIENCIA Nª 04: APLICACIONES CON DIODOS – DIODO ZENER
I.- OBJETIVO:
 
Diseñar diferentes circuitos aplicando el uso de Diodos en sus diferentes tipos analizando sus respuestas y encontrar sus posibles aplicaciones.
II.- INTRODUCCION TEORICA:
William Bradford Shockley (1910-1989). Físico estadounidense, premiado con el Nobel y coinventor del transistor. Nació en Londres de padres estadounidenses. Trabajó en los laboratorios de la Compañía Telefónica Bell desde 1936 hasta 1956, año en que fue nombrado director de la Shockley Transistor Corporation en Palo Alto, California. Sus investigaciones sobre los semiconductores le llevaron al desarrollo del transistor en 1948. Por esta investigación compartió en 1956 el Premio Nobel de Física con sus asociados John Bardeen y Walter H. Brattain. La ecuación del diodo o ecuación de Shockley lleva su nombre en su honor. 
Clarence Melvin Zener (1905-1993). Físico estadounidense que descubrió el efecto que lleva su nombre en los diodos semiconductores. Con amplios conocimientos de matemáticas, escribió sobre una gran variedad de materias, entre ellas la superconductividad, la metalurgia, etc. Tras doctorarse en Física en la Universidad de Harvard en 1930, enseñó en varias universidades del país y trabajó durante un breve periodo en Westinghouse. 
DATOS IMPORTANTES:
El valor medio de la corriente que circula por un componente electrónico se define como el área de un ciclo de la curva dividido por el período de la señal. 
…….(1)
El valor eficaz o RMS (Root Mean Square) de la corriente que circula por un componente electrónico se define como la raíz cuadrada del cuadrado del área de un ciclo de la curva dividido por el período de la señal. 
 ……. (2)
El factor de forma, F , se define como la relación entre la tensión en valor eficaz y la tensión en valor medio de una señal. 
 …… (3)
El factor de rizado, FR, se define como la relación entre la tensión en valor eficaz de la ondulación residual y la tensión en valor medio. Este factor da una indicación de las componentes alterna que tiene una señal. 
 …… (4)
Cabría recordar algunos de los circuitos con diodos más típicos. Puede observarse en ellos el dibujo esquemático y las gráficas de salida de los mismos. Se ha incluido la fórmula de cálculo de la tensión de salida o la tensión de inicio de funcionamiento. 
AMPLIACION DEL MARCO TEÓRICO 
El diodo Zener es un diodo de silicio fuertemente dopado1​ que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas, recibe ese nombre por su inventor Clarence Melvin Zener. El diodo Zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura.
Son mal llamados a veces diodos de avalancha, pues presentan comportamientos similares a estos, pero los mecanismos involucrados son diferentes. Además, si el voltaje de la fuente es inferior a la del diodo este no puede hacer su regulación característica.
Características
Si a un diodo Zener se le aplica una tensión eléctrica positiva del ánodo respecto a negativa en el cátodo (polarización directa) toma las características de un diodo rectificador básico (la mayoría de casos), pero si se le suministra tensión eléctrica positiva de cátodo a negativa en el ánodo (polarización inversa), el diodo mantendrá una tensión constante. No actúa como rectificador sino como un estabilizador de tensión
En conclusión: el diodo Zener debe ser polarizado inversamente para que adopte su característica de regulador de tensión. En la siguiente figura se observa un circuito típico de su uso como regulador de tensión:
Regulador de tensión utilizando diodo Zener
Variando la tensión V a valores mayores que la tensión de ruptura del Zener, Vz se mantiene constante.
Su símbolo es como el de un diodo normal, pero tiene dos terminales a los lados. Se deberá tener presente que, el diodo Zener al igual que cualquier dispositivo electrónico, tiene limitaciones y una de ellas es la disipación de potencia. Si no se toman en consideración sus parámetros, el componente se quema.
Operación
Un diodo de estado sólido convencional permite una corriente significativa si está polarizado en inversa por encima de su voltaje de ruptura inversa.
Característica de voltaje-corriente de un diodo Zener con un voltaje de ruptura de 17 voltios. Observe el cambio de escala de voltaje entre la dirección polarizada hacia delante (positiva) y la dirección polarizada hacia atrás (negativa).
Cuando se excede el voltaje de ruptura de polarización inversa, un diodo convencional está sujeto a alta corriente debido a la ruptura de avalancha. A menos que esta corriente esté limitada por la circuitería, el diodo puede dañarse permanentemente debido al sobrecalentamiento.
Un diodo Zener exhibe casi las mismas propiedades, excepto que el dispositivo está especialmente diseñado para tener un voltaje de ruptura reducido, el denominado voltaje Zener. En contraste con el dispositivo convencional, un diodo Zener con polarización inversa exhibe una falla controlada y permite que la corriente mantenga el voltaje a través del diodo Zener cerca del voltaje de ruptura de Zener.
Por ejemplo, un diodo con una tensión de ruptura Zener de 3.2 V presenta una caída de voltaje de casi 3.2 V en un amplio rango de corrientes inversas. El diodo Zener es por lo tanto ideal para aplicaciones tales como la generación de un voltaje de referencia (por ejemplo, para una etapa de amplificación), o como un estabilizador de voltaje para aplicaciones de baja corriente.
Otro mecanismo que produce un efecto similar es el efecto de avalancha como en el diodo de avalancha.
Los dos tipos de diodos se construyen de hecho de la misma manera y ambos efectos están presentes en los diodos de este tipo. En diodos de silicio de hasta aproximadamente 5,6 voltios, el efecto Zener es el efecto predominante y muestra un marcado coeficiente de temperatura negativo. Por encima de 5,6 voltios, el efecto de avalancha se vuelve predominante y exhibe un coeficiente de temperatura positivo.
En un diodo de 5,6 V, los dos efectos se producen juntos, y sus coeficientes de temperatura casi se cancelan entre sí, por lo tanto, el diodo de 5,6 V es útil en aplicaciones de temperatura crítica. Una alternativa, que se utiliza para las referencias de voltaje que necesitan ser altamente estables durante largos períodos de tiempo, es usar un diodo Zener con un coeficiente de temperatura (CT) de +2 mV / ° C (voltaje de falla de 6.2-6.3 V) conectado en serie con un diodo de silicio con polarización directa (o una unión BE de transistor) fabricado en el mismo chip.
Coeficiente de temperatura de la tensión Zener contra voltaje Zener nominal.
El diodo con polarización directa tiene un coeficiente de temperatura de -2 mV / ° C, lo que hace que los coeficientes de temperatura se cancelen.
Las técnicas de fabricación modernas han producido dispositivos con tensiones inferiores a 5,6 V con coeficientes de temperatura insignificantes, pero a medida que se encuentran dispositivos de mayor voltaje, el coeficiente de temperatura aumenta drásticamente. Un diodo de 75 V tiene 10 veces el coeficiente de un diodo de 12 V.
Los diodos Zener y de avalancha, independientemente del voltaje de ruptura, se comercializan generalmente bajo el término general de "Diodo Zener".
Por debajo de 5.6 V, donde domina el efecto Zener, la curva voltaje-corriente cercana a la ruptura es mucho más redondeada, lo que requiere un mayor cuidado al enfocar sus condicionesde polarización. La curva voltaje-corriente para Zeners por encima de 5,6 V (que está dominada por Avalancha), es mucho más nítida en el momento de la avería.
IV.- PROCEDIMIENTO 
Desarrollar cada una de las aplicaciones mostradas a seguir, tentando hacer un análisis crítico, el Desarrollo es teórico, práctico y simulado.
APLICACIONES CON DIODOS:
Recortador positivo de nivel. Se utiliza para eliminar una porción del semiperíodo positivo de la señal. Como se muestra, el semiperíodo negativo queda inalterado. Sólo indicar la disminución de la tensión debido a la pérdida sufrida por el divisor formado por R1 y RLoad. La ecuación 5 está formada por un sumando, aproximadamente constante, más otro sumando que añade una perturbación. Atenuada por la relación de la resistencia dinámica del diodo y la resistencia limitadora del mismo. Figura 1. 
En la gráfica vemos como el diodo que rectifica la media onda, a la salida le colocamos una fuente de alimentación esta hace que eleve la tensión en el nivel positivo de la onda. 
Figura1: a) Circuito de un recortador positivo de nivel, b) Gráfica de salida 
 …..(5)
Recortador negativo de nivel. Esta disposición es similar al anterior solo que elimina la parte del semiperíodo negativo. Figura 3.2. 
Figura 2: a) Circuito de un recortador negativo de nivel, b) Gráfica de salida 
…… (6)
En este caso es parecido al anterior solo cambiamos la posición del diodo y la fuente de alimentación adicional esta hace que se aumente la onda en el ciclo negativo.
Elevador de nivel. Este montaje eleva con un nivel de continua el valor de comienzo de la señal alterna introducida. Téngase en cuenta la necesidad de una resistencia de alto valor para evitar la descarga rápida de la carga almacenada en del condensador. Figura 3.3. 
Figura 3.3: a) Circuito de un elevador de nivel, b) Gráfica de salida 
Como podemos observar al poner en una misma misma línea las ondas podemos apreciar que una subió y la otra se queda en el origen, esto se debe al condensador puesto esto hace que almacene energía y hace que la onda suba. 
Fijador positivo de nivel. Este montaje es útil para fijar un pedestal de tensión a partir del cual se dejará pasar toda la señal que apliquemos al circuito. Figura 3.4. 
Figura 4: a) Circuito de un fijador positivo de nivel, b) Gráfica de salida
El valor de la tensión inicial de conducción de la señal de salida viene definida por:
….. ( 7 )
Fijador negativo de nivel. Este circuito tiene un funcionamiento contrario al anterior. 
Figura 5: a) Circuito de un fijador negativo de nivel, b) Gráfica de salida
El valor de la tensión inicial de conducción de la señal de salida viene definida por:
…. (8)
Rectificador de media onda 
Del circuito mostrado en la figura 3.6, se puede obtener un rectificador de media onda, cuyas formas de onda se muestran en la figura 3.7. Siendo los valores característicos de este circuito los siguientes
Obteniendo los valores de la tensión eficaz y de valor medio, ecuaciones 3.1 y 3.2, para una onda de salida como la mostrada en la figura 3.7, los valores del factor de forma y factor de rizado nos quedan como siguen
Figura 3.7: Formas de onda entrada/salida de un rectificador de media onda
3.5 Rectificador de onda completa 
Se puede realizar este rectificador mediante dos circuitos diferentes, los mostrados en las figuras 3.8 y 3.9. Varias son las diferencias entre ellos, tanto en valores característicos obtenidos como en valores que deben soportar durante su funcionamiento. 
En el primero de ellos, el de transformador con toma media, se aprecia que debe utilizarse un transformador especial. En realidad, no es un problema, ya que, la mayoría de los transformadores utilizados en Electrónica poseen esta característica. Con el conexionado adecuado, estos transformadores pueden funcionar como dos devanados conectados en serie o en derivación. En el caso que nos ocupa, se conectarán ambos devanados en serie. El punto de unión de ambos devanados se conectará posteriormente a la masa del circuito.
Figura 3.8: Rectif. de onda completa con trafo con toma media
Como se aprecia, el problema principal de este montaje es que cada diodo, durante su funcionamiento en inversa, deberá soportar el doble de la tensión máxima del transformador. Esto nos obligará a una selección de los diodos a utilizar con mayor cuidado. Obsérvese que la frecuencia de salida del circuito es doble que a la entrada. Esto, lejos de suponer un problema, nos facilita el cálculo de los componentes posteriores, sobre todo si se colocase un condensador de filtrado. Esto se tratará con detenimiento posteriormente. 
Obteniendo los valores de la tensión eficaz y de valor medio, ecuaciones 3.1 y 3.2 respectivamente, para una onda de salida como la mostrada en la figura 3.10, los valores del factor de forma y factor de rizado nos quedan como siguen 
Para el segundo montaje, el rectificador con puente de diodos, como se aprecia en la figura 3.9, está formado por cuatro diodos. A esta conexión especial se la conoce como puente de Graetz o puente de diodos y, al conectar cuatro diodos en vez de dos es más costosa que el montaje anterior. También habríamos de tener en cuenta el mayor número de agujeros en la placa, el mayor espacio ocupado, mayor números de soldaduras, un índice de fallo de la placa mayor al aumentar el número de componentes, etc. Su mejor ventaja sería una tensión inversa soportada por el circuito mucho mayor y, en realidad, las soldaduras tampoco serían tantas, ya que en muchas ocasiones, esta interconexión de diodos se adquiere encapsulada sólo con cuatro terminales externos. Aunque estas valoraciones y la decisión final a adoptar, la mayoría de las veces, no son electrónicas sino económicas, sobre todo cuando el número de unidades a fabricar es elevado.
	
Figura 3.9: Rectif. de onda completa con P. de Graetz
Figura 3.10: Formas de onda entrada/salida de un rectificador de onda complete
3.6 Filtrado por condensador 
La forma de onda del rectificador de media onda o de onda completa, también llamada, onda pulsatoria, posee un valor medio o de corriente continua bajo. Con esta etapa de filtrado por condensador se elevará el valor medio de la tensión obtenida con el rectificador, disminuyendo consecuentemente el valor de la tensión eficaz de la onda. A la señal eficaz resultante se le conoce como rizado. Con etapas posteriores se tratará de disminuir más aún este valor. Idealmente debería desaparecer por completo, y conseguir de este modo una señal continua perfecta. Por diferentes motivos, preponderantemente económicos, esto no es viable en la práctica. 
Sabemos que la corriente en un condensador está definida por la ley de conservación de la carga 
O bien de esta otra forma
 
Mediante esta ecuación podemos calcular el valor del condensador adecuado para un determinado nivel de rizado residual o nivel de tensión pico-pico no rectificada de una onda alterna, denominado ΔVpp, esto lo obtendremos del arreglo de la ecuación 3.10. 
III.- ELEMENTOS A UTILIZAR:
1 Multímetro 
1 Fuente de alimentación de CD 
1 Generador de señales 
1 Osciloscopio de 2 canales 
2 Diodo rectificador 1N4001 o equivalente 
1 Diodo Led color rojo 
1 Diodo Led color verde 
1 Puente de diodos a 1 Amp. 
1 Transformador con derivación central y salida de 12V a 500 mA 
1 Capacitor electrolítico de 1 μF a 25 V 
1 Capacitor electrolítico de 4.7 μF a 25 V 
1 Capacitor electrolítico de 220 μF a 25 V 
1 Capacitor electrolítico de 1000 μF a 25 V 
5 Resistores de 10 kΩ a ½ W 
1 Resistor de 220Ω a ½ W 
1 Resistor de 18Ω a ½ W 
1 Potenciómetro de 5kΩ 
1 Regulador de voltaje fijo LM7805 
1 Regulador de voltaje variable LM317 
NOTA: Se incluyen las hojas de datos de los dispositivos electrónicos a utilizarse en esta práctica. Lea cuidadosamente estas características para el adecuado manejo de estos dispositivos.
IV.- OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
La rectificación de media onda es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o positivade una señal de corriente alterna de lleno conducen cuando se polarizan inversamente. Además, su voltaje es positivo.
Un rectificador de onda completa es un crcuito empleado para convertir uan señal de corriente alterna de entrada en corriente continua de salida pulsante. A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en negativa, según se necesite una señal positiva o negativa de la corriente alterna.
Durante esta práctica hemos logrado comprender el comportamiento de los diodos zener, y hemos podido observar por qué razón es que estos son utilizados en los reguladores de voltajes pues han sido diseñados especialmente para trabajar en la zona de ruptura.
Cuando un zener esta polarizado de manera directa, se comportará como un diodo normal, y cuando está polarizado de manera inversa, mientras el voltaje sea menor al voltaje indicado en la hoja de datos del zener únicamente pasará una minima corriente por el diodo, sin embargo, cuando el voltaje de entrada a superado al voltaje del zener el voltaje del zener se mantendrá constante en sus terminales. Es importante colocar una resistencia en serie entre la fuente y el diodo zener para limitar la corriente a un valor menor al de la limitación, pues de no ser así el diodo zener se quemaría.
Observaciones 
· Elegir para cada conexión el cable más adecuado: aquel que no sea mucho más largo de lo que se necesita.
· Marcar las conexiones sobre el esquema como ya realizadas a medida que se vayan realizando. De este modo no se olvidará ninguna.
· Utilizar para alimentar la placa de prototipos los cables rojos y negros que son más largos. Esto permitirá separar lo suficiente las pinzas de alimentación de forma que sea más difícil que se cortocircuiten.
· Antes de conectar la alimentación del circuito, comprobar que los integrados tienen correctamente conectados los terminales de alimentación y que el circuito se encuentra correctamente montado.
· Probar el circuito comenzando por las partes funcionales pequeñas e ir añadiendo nuevos bloques una vez que se haya comprobado el funcionamiento del bloque anterior. Esto facilitará la detección y solución de posibles errores de montaje.
V. BIBLIOGRAFIA
Boylestad, R. y Nashelsky L. (2009). Electrónica, Teoría de circuitos (8ª Ed.). México. Pearson Educación.
Malvino, A. (2007). Principios de electrónica (7ª Ed.). México. Mc Graw HillBoylestad 
Robert L., Nashelsky Louis (2009) Electrónica Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos, México, Décima edición, Editorial Prentice Hall.