ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS DEL DIODOUNION PN

Luis Felipe De La Hoz Cubas, María Ilse Dovale Pérez y Michael Forero NaizirDivisión de Ingeniería Electrónica

Universidad del NorteBarranquilla

Martes 19 de Febrero de 2008

Resumen

En el siguiente informe se presenta un estu-dio detallado de las características de un diodounión pn, para esto se hicieron diferentes pruebascon dichos dispositivos y así veri�car su e�cacia,estudiando los resultados y evaluándo estos mis-mos para establecer conclusiones pertinentes ypoder comprobar lo estudiado teóricamente.

Índice

1. DIODOS 11.1. MODELADO DE LAS CARAC-

TERISTICAS DEL DIODO . . . . 21.1.1. El Modelo Exponencial . . 21.1.2. Modelo Lineal Por Secciones 21.1.3. Modelo Voltaje Constante . 21.1.4. Modelo Iterativo . . . . . . 3

1.2. Práctica . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.1. Polarización Directa . . . . 31.2.2. Polarización Inversa . . . . 41.2.3. Análisis en AC . . . . . . . 51.2.4. Aplicación: Compuerta

Lógica . . . . . . . . . . . . 6

2. CONCLUSIONES 7

INTRODUCCION

A continuación se estudia a través de prácti-cas con diodos como es el funcionamiento de estedispositivo con diferentes con�guraciones de cir-cuitos, además se comparará con la teoría todoslos resultados obtenidos para veri�car su correc-to funcionamiento, para esto se usó en conjuntocon el diodo diferentes dispositivos tales como re-sistencias, fuentes de ac y dc, DIP switch, LED,protoboards, tablas de fabricantes, entre otros.Se presenciará a tra vés de tablas y grá�cos,las distintas medidas tomadas, para una mejorvisualización de todos los detalles.

1. DIODOS

El diodo es el elemento no lineal mas simple yfundamental, lo llamamos no lineal debido a quela relación i� v es no lineal, el diodo idealmentese puede comportar como un circuito abierto ocomo un corto circuito dependiendo de la difer-encia de potencial ente el Ánodo y el CátodoFig1. Si el voltaje del ánodo es mayor que el delcátodo el diodo se comporta como un corto cir-cuito, y si pasa lo contrario se comporta comoun circuito abierto.

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Fig1: Dibujo de la señalización de un diodo

Pero esto es sólo para Diodos ideales, en larealidad el comportamiento del Diodo varia unpoco. La gra�ca característica del Diodo Realpuede ser observada en la Fig2. El diodo realcontiene 3 zonas principales, en éste caso sólo semencionan 2 de estas zonas, la zona de polar-izacion directa y la de polarizacion inversa, endonde se puede observar vtd que es el voltaje deumbral o voltaje de conducción y es el voltaje apartir el cual el diodo empieza a conducir cor-riente de manera considerable, este voltaje de-pende principalmente del material del que estéfabricado el Diodo. La caída de voltaje para undiodo que se encuentra en conducción va de unintervalo estrecho de 0.6 a 0.8 Voltios, por lo quese usan modelos para la simpli�cación de cálcu-los al momento de análisis.

Fig2: Curva característica del diodo real.

1.1. MODELADO DE LAS CAR-ACTERISTICAS DEL DIO-DO

Para estudiar las características del diodo sehan creado diferentes modelos los cuales arrojanresultados muy cercanos a los valores reales entreestos están :

1.1.1. El Modelo Exponencial

Este es el modelo más exacto del compor-tamiento del Diodo en la región directa, pero de-bido a su naturaleza exponencial, este es el mode-lo mas difícil de implementar, en el que suponien-do que vtd > 0;5V la corriente del diodo vienedada por:

Ip = IseVd=nVT

Donde n es el coe�ciente de emisión, Vd es elvoltaje del Diodo y Vt es el voltaje térmico VT =kt=q.

Como ya se mencionó anteriormente estemétodo es el mas exacto, pero su complejidadlo hace muy tedioso por lo que generalmente seusan otros métodos alternativos.

1.1.2. Modelo Lineal Por Secciones

En el este modelo se aproxima el voltaje delDiodo a una relación lineal en la cual i = 0 cuan-

do Vd < Vtd y i =Vd � Vtdrd

cuando Vd > Vtd,

y rd es la resistencia de la recta que describe lacorriente. Este modelo es equivalente a un Diodoideal una fuente de voltaje Vtd y una resistenciard:

1.1.3. Modelo Voltaje Constante

El modelo de voltaje constante es un modelomás simple que el lineal por secciones, en éstese utiliza una recta vertical para aproximar laparte del crecimiento exponencial del Diodo, este

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modelo indica que un Diodo en conducción direc-ta muestra una caída de voltaje constante Vd, lacual suele tomarse como 0;7V:

1.1.4. Modelo Iterativo

Con este modelo hacemos Iteraciones en lascuales hallamos id y a Vd por medio de las fór-mulas:

id(nueva) =Vs � Vd(anterior)

R

Vd(nuevo) = Vanterior + 2;3 log

�id(nueva)

id(anterior)

�

En este método R es la resistencia que acom-paña al Diodo.

Si tenemos una malla compuesta por un Dio-do una resistencia y una fuente, como la queveremos a continuación, solamente al aplicarlas reglas de Kirchho¤ tendríamos que ID =(V td� V d)

R:: Éste resultado evidencia que es

necesario una resistencia al momento de utilizarun lazo con un Diodo ya que la resistencia validael valor de la corriente ya que si la resistenciafuera cero, la corriente sería in�nita y eso gener-aría una inconsistencia en el circuito.

1.2. Práctica

1.2.1. Polarización Directa

En la práctica se usaron los diodos 1N4148 y1N4007 cuya máxima corriente en polarizacióndirecta que soportan ambos es: im�ax = 200mA;el circuito en el cual se utilizaron los diodos semuestra a continuación:

Fig3: Diagrama esquemático No. 1

Al hacer el montaje del circuito se tomó comoresistencia una de 270; y se utilizó una fuentede alimentación dc, primeramente con un voltajede 0V el cuál se aumentó de 0;05V hasta llegara un voltaje máximo para el diodo de 0;8V conel �n de no alcanzar corrientes tan grandes quedañaran los componenetes del circuito, despuésde hacer los análisis respectivos y tomar los val-ores de la corriente y el voltaje en las terminalesdel diodo se hicieron las correspondientes grá-�cas para cada uno de los diodos, es decir el1N4148 y el 1N4007. A continuación podemosver las tablas de iD � vs� VD y debajo de cadauna de éstas su respectiva grá�ca.

Tabla1: Datos diodo 1N 4148

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Grá�ca1: Voltaje vs Corriente del diodo 1N4148

Tabla2: Datos diodo 1N4007

Grá�ca2: Voltaje vs Corriente diodo 1N4007

Como se puede observar las grá�cas son equiv-alentes a lo que se esperaba, ya que primera-mente el voltaje de la fuente aumentaba, perola corriente no crecía, hasta que se llegó a unvoltaje de actuación, de umbral o de activacióndonde el diodo comenzó a permitir el paso decorriente y esta se elevo precipitadamente comose ve en las grá�cas anteriores.

1.2.2. Polarización Inversa

En el caso de la polarización inversa cadadiodo cuenta con un voltaje de ruptura, denom-inado en las hojas de datos de los fabricantescomo VRRM el cual para el diodo 1N4148 es de100V y para el diodo 1N4007 de 1000V, el dia-grama esquemático que se uso para esta con�g-uración se puede ver a continuación:

Fig4: Diagrama esquemático No. 2

La resistencia usada fue la misma que en lacon�guracion pasada es decir de 270, con elcircuito montado se procedio a tomar los valoresdel voltaje y la corriente que pasa por el diodo,los datos obtenidos se pueden ver en la siguientetabla:

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Tabla3: Valores de la corriente y el voltaje deldiodo en inversa.

Como bien se puede observar si hacemos lagra�ca de iD�vs�VD nos va a resultar una lin-ea recta hacia la izquierda en el plano cartesiano,de esto podemos concluir entonces que no huboun voltaje su�ciente para que el diodo pudieradejar pasar la corriente, es decir no se llegó alvoltaje de ruptura, más sin embargo, aunque hu-bieramos llegado a los 100V o a los 1000V; losdiodos se hubieran quemado ya que estas carac-terísticas son posibles para los diodos zener, y eneste caso no trabajamos con este tipo de diodos.Vemos entonces que la Grá�ca 3 nos muestra lomencionado anteriormente:

Grá�ca3: V vs i en polarización inversa

Los anteriores resultados nos dejan entreveruna gran diferencia entre el diodo de señal y el

de recti�cación, puesto que el de señal tiene unvoltaje de ruptura pequeño, lo cual indica quecon este diodo se trabajan voltajes inversos es-tables, y en ciertas palabras pequeños, en cam-bio con el de recti�cacion el voltaje de rupturacambia abruptamente a los 1000V lo cual nos dala señal que este diodo se utiliza para �nes másgenerales, y trabaja con voltajes más altos.

1.2.3. Análisis en AC

Con una fuente sinusoidal de de AC a 500Hzinicialmente, con un valor de 4V pico - pico,se veri�co el funcionamiento del diodo 1N4148colocado en serie con una resistencia de 220 .La gra�ca siguiente muestra un circuito llamadorecti�cador de media Onda.

Fig4: Circuito implementado para análisis enAC.

En este caso se busca observar el compor-tamiendo del diodo para diferentes frecuencias,con el �n de observar algún cambio en la señalde salida del diodo, la grá�ca resultante fue lasiguiente:

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Fig5: Señal recti�cada.

Después de analizar el circuito se pudo llegara la conclusión de que este actuaba como un rec-ti�cador de onda, el cual en los semiciclos pos-itivos, polarizaba al Diodo directamente, y poresta razón, el voltaje que pasaba por la resisten-cia en este ciclo era de Vo = Vs � Vd , siendovd generalmente de 0;7V , pero diferente ocurríacuando el semiciclo era negativo, siclo en el cualel Diodo es polarizado inversamente, por lo quesu corriente es mínima.

1.2.4. Aplicación: Compuerta Lógica

Se realizó el montaje del siguiente cir-cuito, donde las resistencias R1 tienen un valorde 220 y R2 de 1K los diodos usados son los1N4148 y la fuente usada es de corriente directa,en este caso se utilizo un Dip Switch, un dis-positivo que permite el manejo de múltiples in-terruptores en un mismo encapsulado tipo DIP,cada interruptor puede estar en estado de encen-dido o apagado, y es utilizado para alternar elvalor del voltaje en un punto entre dos valorescualesquiera.

Fig6: Diagrama esquemático para aplicación decompuerta lógica.

Para obtener una buena intensidad luminosadebe escogerse bien la corriente que atraviesa elLED; el voltaje de operación va desde 1; 5 has-ta 2; 5 voltios aproximadamente, y la gama deintensidades que debe circular por él va desde10hasta 20mA en los diodos de color rojo, y de20 a 40mA para los otros LEDs.

Se tomaron entonces los valores de prueba, conun valor para la fuente de 2.5V para el circuitode la �gura 6 en cada una de las combinacionesposibles de los switches y los valores del voltajede los diodos, el LED y la corriente de salida semuestran a continuación:

Tabla4: Aplicación de los diodos

Como podemos ver en las 3 primeras combi-naciones la corriente es cero, esto se debe a queal estar por lo menos una de los switches cerra-dos toda la corriente se �ltra por estos a tierra,además de esto el voltaje del LED no alcanza suencendido mínimo que es 1.5V, más sin embargoen el último caso, cuando los interruptores estánambos abiertos, si hay paso de corriente por elLED y por lo tanto este se enciende.

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Este circuito puede servir como aplicación decontrol de voltajes, ya que cuando los voltajesaumentan, el led alerta lo que esta sucediendo.

2. CONCLUSIONES

Es muy grati�cante ver cuando se compruebaalgo en la vida real que se ha estudiado anterior-mente, como en este caso; ya se sabe que el dio-do es el elemento más simple no lineal, y aunqueno existen diodos ideales podemos hacer aproxi-maciones muy buenas con ecuaciones, grá�cas, ytablas de datos como se hizo en esta ocasión. Sepudo comprobar en la experiencia que el voltajede encendido de un diodo oscila entre 0;6 y 0;7voltios, ya que cuando la diferencia de potencialentre las terminales del diodo correspondía conestos valores arrojó valores de corriente cada vezmayores como se vió en las primeras grá�cas.Se tiene en cuenta que al trabajarse con difer-

entes diodos estos tienen características similaresy diferentes entre si, entre las similares se encuen-tran el voltaje de encendido, es muy parecido,ambos comienzan a conducir un mínimo de cor-riente alrededor de 0;4V , aunque más adelantese pronuncia una diferencia entre ambos diodos,y es que el diodo recti�cador permite mayor pa-so de corriente que el diodo de señal ya que estees utilizado para disipar corrientes en cambio eldiodo de señal sólo se utiliza en circuitos elec-trónicos para tratamientos de señal.Por otra parte cuando trabajamos en polar-

ización inversa con estos diodos, cabe resaltarque no se pudo observar que sucedía al llegar alvoltaje de ruptura, ya que este es muy alto yademás no se trabajó con Diodos Zener que sonlos encargados de este tipo de con�guraciones.Finalmente volvemos a la primera con�gu-

ración con la que se trabajó, este esquema cuen-ta con una resistecia limitadora cuya función esmantener el �uido de corriente estable ya que sino estuviera alli al polarizarse uno de los diodosdirectamente este comenzaría a conducir la cor-riente eléctrica sin control y se destruiría. Comosu propio nombre indica, la resistencia limita-dora tiene como función limitar la corriente que

atraviesa los diodos.En este caso el valor recomendado fue de 270,

este valor fue seleccionado debido a las carac-teristicas del diodo, y el voltaje de la fuente.veamos:

imaz = 35mA y vs = 10V

iD =VS�VDR ! R = VS�VD

iD=

10� 0;835� 10�3 =

262: 86

Esto es lo que sucede en forma ideal, peroveamos los valores reales la cifra de resistenciaque nos arroja:

R =0;531� 0;50;11� 10�3 = 281: 82

Entonces la resistencia recomendada se en-cuentra entre los valores de 262: 86 y 281: 82;es por eso que fue seleccionado el valor de 270para la con�guración de este circuito. Para �-nalizar cabe resaltar que cualitativamente paraque la vida de un diodo sea mayor se sugiere quese trabaje en un valor lejos del límite en el quepuede trabajar, por lo tanto se recomendó estevalor para que el tiempo útil del diodo se extien-da.Consideraciones hechas por Luis Felipe De la

Hoz, María Ilse Dovale y Michael Forero.

REFERENCIAS[1].MUHAMMAD, Rashid. Circuitos Micro-

electrónicos: Análisis y diseño. Estados Unidos:Internacional Thompson Editores, 1999[2].SEDRA, Adel y KENNETH, Smith. Cir-

cuitos Microelectrónicos. México: Oxford Uni-versity Press, 2001.[3].DATASHEET Catalog. Buscador de ho-

jas de datos de dispositivos electrónicos, Online,http://www.datasheetcatalog.net/.[4]. Fuentes de internet :

http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo_LED

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