Universidad Nacional de ColombiaFacultad de IngenierıaDepartamento de Ingenierıa Electrica y Electronica

ElectronicaAnaloga I

2015-II

El Diodo: Caracterizacion de su respuesta y parametros

de variacion (tiempo y temperatura)

1. Objetivos

1.1. Objetivo general

Identificar las caracterısticas basicas de los diodos semiconductores, incluyendo la curva de corriente vs. tension(i-v), la tension de polarizacion directa y la velocidad de recuperacion.

1.2. Objetivos especıficos

Determinar experimentalmente la relacion corriente - tension (curva caracterıstica i-v) del diodo.

Caracterizar la tension de polarizacion directa del diodo y otros parametros asociados a la curva caracterıstica,en funcion de la temperatura de operacion del diodo.

Visualizar y determinar los tiempos de respuesta de diferentes tipos de diodos.

2. Materiales e Instrumentos Requeridos

1 Osciloscopio de 2 canales.

1 Generador de senales.

1 Multımetro digital.

1 Fuente DC dual.

3 Sondas.

Resistencias de 1/4 [W] (segun calculos).

Resistencias de mas de 5 [W] (segun calculos).

Diodos 1N4004 o similares.

Diodos 1N4148.

3. Practica

ESTA PRACTICA ESTA DISENADA PARA DESARROLLARSE EN UNA SESION DE LABORATORIO. Lapractica se divide en 2 partes. Cada una de ellas implica un trabajo previo al dıa de la practica y durante el dıa de lapractica.

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3.1. Curva caracterıstica del diodo

En la clase teorica se establecieron los principios necesarios para la compresion del funcionamiento de la union(P-N ), tambien se explico la ecuacion 1, mediante la cual se describe el comportamiento estatico del diodo comofuncion de variables fısicas y constructivas del mismo.

I = Is

(eVdη VT − 1

)(1)

En donde Is es la corriente inversa de saturacion, η es un parametro constante llamado coeficiente de emision ytiene valores entre 1 y 2, VT es el llamado voltaje termico y es igual a K T/q, en donde K es la constante de Boltzman(1.38 × 10−23 J/K), T es la temperatura en grados Kelvin, y q es la carga del electron (1.6 × 10−19 C).

En la region de conduccion, el termino exponencial de la ecuacion del diodo se hace mucho mayor que −1, debidoa que Vd VT , por lo cual la anterior ecuacion puede ser aproximada por:

I = Is

(eVdη VT

)(2)

3.1.1. Previo al dıa de la practica

Prepare dos montajes soldados en una tarjeta universal utilizando dos diodos 1N4004, de estos uno se expondra atemperatura ambiente (≈ 20C) y el otro a temperaturas superiores a 50C (la cual puede ser lograda acercandolentamente el diodo a un cautın).

El circuito debe estar compuesto por una fuente variable (0 − 25VDC) en serie con una resistencia limitadora decorriente y el diodo a la temperatura requerida. Realice la eleccion del valor de la resistencia para que la corrientemaxima del circuito sea 250mA cuando este sea alimentado con 25V .

Verifique que los valores de potencia disipada por la resistencia y por el diodo, se encuentren dentro de los margenesde operacion segura establecidos por sus fabricantes. Para ello descargue, use y consigne en la bitacora la hoja de datos(Datasheet) del diodo.

Los disenos y calculos deben ser consignados en la bitacora, mostrando con claridad que se cumplen las especifica-ciones de funcionamiento. Realice las simulaciones necesarias para corroborar el funcionamiento del circuito disenado.Recuerde que debe consignar y discutir los resultados de las simulaciones en la bitacora.

Investigue y consigne en la bitacora como se ve afectada la curva caracterıstica del diodo (i-v) ante variaciones detemperatura y a que se debe este fenomeno.

Consulte la definicion de resistencia dinamica del diodo y el procedimiento para obtener su valor a partir de unagrafica de la curva caracterıstica del mismo (ver figura 2).

3.1.2. El dıa de la practica

Usando el montaje de la figura 1 realice las siguientes pruebas, tanto para el caso donde el diodo es expuesto atemperatura ambiente como para el caso en el que el diodo es expuesto a la temperatura del cautın,

Figura 1: Circuito de polarizacion del diodo

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Variando lentamente la tension de la fuente DC (desde 0 V), obtenga un buen numero de parejas de valores(Vd,Id) hasta llegar a I = Imax (corriente maxima dada por el diseno inicial, recuerde que este valor debe sermenor a 250mA). Por ejemplo, una forma de hacerlo es haciendo incrementos de 15mA.

Grafique los datos adquiridos en un papel milimetrado de Id (eje y) contra Vd (eje x).

Obtenga de manera aproximada a partir de las curvas trazadas con los datos (ver figura 2): La tension depolarizacion umbral directa y la resistencia dinamica del diodo. Compare los resultados con los valores dadospor el fabricante en la hoja de datos.

Grafique los datos adquiridos en un papel semi-logarıtmico de Id (eje log) contra Vd (eje decimal) y obtenga losparametros de la ecuacion lineal Y = Y0 +K V . Se dara cuenta que con la grafica es facil obtener los valores deY0 y K, y por lo tanto calcular los parametros Is y η presentes en la ecuacion caracterıstica.

Figura 2: Curva caracterıstica del diodo en polarizacion directa (azul), recta de carga y punto de polarizacion para elcalculo de resistencia dinamica.

3.2. Curva caracterıstica del diodo

El tiempo de recuperacion inversa (trr) es el tiempo que tarda el diodo en recuperar su funcion de corte despues dehaber estado en conduccion, es decir, es el tiempo que tarda la senal en rectificarse tras el cruce por cero en el flanconegativo de la senal de entrada.

Considere que por un circuito circula una corriente IF y que, mediante la aplicacion de una tension inversa, se fuerzala anulacion de la corriente con cierta velocidad di/dt. Como resultado, despues del paso por cero de la corriente, existecierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentidoinverso durante un instante, dando lugar a una pequena corriente inversa IR. La tension inversa entre el anodo yel catodo no se establece hasta despues del tiempo ts llamado tiempo de almacenamiento, debido a la capacidad dedifusion. La intensidad todavıa tarda un tiempo tf llamado tiempo de caıda, debido a la capacidad de transicion, parapasar de un valor pico negativo a un valor despreciable, mientras va desapareciendo el exceso de portadores.

Tiempo de almacenamiento (ts): Tiempo que transcurre desde que la corriente pasa por cero hasta que alcanzael pico negativo.

Tiempo de caıda (tf ): Tiempo transcurrido desde el momento en que la corriente empieza a tender a cero, hasta elmomento en que esta se anula totalmente. En la practica se suele considerar hasta el instante en que la corrientealcanza 10 % IR.

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Tiempo de recuperacion inversa (trr): Suma de ts y tf

Los tiempos anteriormente descritos son ilustrados en la figura 3

Figura 3: Visualizacion del tiempo de recuperacion de un diodo.

3.2.1. Previo al dıa de la practica

Simule el circuito de la figura 1 utilizando una senal cuadrada de 10Vpp como tension de entrada, R1 = 1 kΩ yun diodo 1N4004. Determine el tiempo de almacenamiento (ts), el tiempo de caıda (tf ) y el tiempo de recuperacioninversa (trr) del diodo, mediante la medicion de la tension en la resistencia R1 (ver figura 3). Realice la simulacionpara diferentes valores de frecuencia (mınimo dos frecuencias bajas, por ejemplo 200 Hz y 1000 Hz y dos frecuenciasaltas, por ejemplo 20 KHz y 200 KHz).

Identifique en la simulacion la corriente de recuperacion inversa IR que circula durante el tiempo de almacenamiento(ts), a partir de la medicion de la tension sobre la resistencia R1.

Repita el procedimiento anterior para un diodo 1N4148.

3.2.2. El dıa de la practica

Implemente el circuito propuesto para la segunda parte de la practica y efectue las mediciones simuladas. Calculeel tiempo de almacenamiento, el tiempo de caıda (tf ), el tiempo de recuperacion inversa (trr) y la corriente derecuperacion inversa (IR).

Finalmente, compare los resultados obtenidos experimentalmente con los obtenidos mediante simulacion y lasespecificaciones dadas por el fabricante.

4. Preguntas sugeridas

¿Que rango de frecuencias permite una mejor visualizacion del tiempo de recuperacion inversa para cada uno delos diodos y por que?

¿En que rango de frecuencias es apropiado utilizar cada uno de los diodos y por que?

¿Que cambio obtuvo al variar la temperatura en la primera parte de la practica? ¿Este cambio era predecible?Justifique su respuesta.

¿Concuerdan los valores de la hoja de datos del fabricante con los encontrados experimentalmente? Haga unanalisis de la respuesta

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5. Evaluacion

Los parametros considerados en la evaluacion seran los siguientes:

1. Asistencia.

2. Preparacion (preinforme con disenos y resultados de simulacion, montaje de los circuitos, apropiacion de datasheets).

3. Trabajo en el laboratorio (sustentacion, funcionamiento de los circuitos, registro apropiado de las mediciones).

4. Informe.

Recuerde que las formas de onda obtenidas en el osciloscopio deben ser presentadas en el informe.

Referencias

Para el desarrollo de este practica se sugiere consultar:

D. Neamen, Mircoelectronics: Circuit Analysis and Design, 4th ed, New York, McGraw-Hill Higher Education,2009.

A. S. Sedra and K. C. Smith, Microelectronic Circuits Revised Edition, 5th ed. New York, Oxford UniversityPress, Inc., 2007.

M. N. Horenstein, Circuitos y Dispositivos Microelectronicos, 2a ed, Mexico, Prentice Hall Hispanoamericana,1997.

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