Principios básicos de los semiconductores

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1 Principios básicos de los semiconductores Manual de trabajo Con CD-ROM R 1 R C U B = 12 V I C R m I B K C 2 C 1 G US (Sinus) f = 1 khz U E = 0.1 V R 2 R E C 3 U A R 3 Y 1 Y 2 0 (Y 1) UE 0 (Y 2) UA Festo Didactic es

2 Nº de artículo: Actualización: 09/2010 Autor: Melanie Wäschle Redacción: Frank Ebel Gráficos: Remo Jedelhauser, Melanie Wäschle Layout: 06/2011, Frank Ebel, Sophia Härer Festo Didactic GmbH & Co. KG, D Denkendorf, Alemania, 2011 Internet: Sin nuestra expresa autorización, queda terminantemente prohibida la reproducción total o parcial de este documento, asi como su uso indebido y/o su exhibición o comunicación a terceros. De los infractores se exigirá el correspondiente resarcimiento de daños y perjuicios. Quedan reservados todos los derechos inherentes, en especial los de patentes, de modelos registrados y estéticos.

3 Contenido Utilización debida IV Prólogo V Introducción VII Indicaciones de seguridad y utilización VIII Conjunto didáctico: Fundamentos de electrotecnia/electrónica (TP 1011) IX Objetivos didácticos: Principios básicos de los semiconductores X Atribución de los ejercicios en función de objetivos didácticos: Principios básicos de los semiconductores XI Equipo didáctico XII Atribución de componentes y ejercicios en función de objetivos didácticos: Principios básicos de los semiconductores XVI Informaciones para el instructor XVIII Estructura de los ejercicios XIX Denominación de los componentes XIX Contenido del CD-ROM: XX Ejercicios y soluciones Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia 3 Ejercicio 2: Estabilización de la tensión de salida de una fuente de alimentación mediante diodos Z 21 Ejercicio 3: Determinación de la resistencia primaria de un diodo emisor de luz 39 Ejercicio 4: Amplificación de la señal de salida de un micrófono 51 Ejercicio 5: Control de una lámpara con un transistor de efecto de campo 81 Ejercicios y hojas de trabajo Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia 3 Ejercicio 2: Estabilización de la tensión de salida de una fuente de alimentación mediante diodos Z 21 Ejercicio 3: Determinación de la resistencia primaria de un diodo emisor de luz 39 Ejercicio 4: Amplificación de la señal de salida de un micrófono 51 Ejercicio 5: Control de una lámpara con un transistor de efecto de campo 81 Festo Didactic GmbH & Co. KG III

4 Utilización debida El conjunto didáctico de fundamentos de electrotecnia/electrónica deberá utilizarse únicamente cumpliendo las siguientes condiciones: Utilización apropiada y convenida en cursos de formación y perfeccionamiento profesional Utilización en perfecto estado técnico Los componentes del conjunto didáctico cuentan con la tecnología más avanzada actualmente disponible y cumplen las normas de seguridad. A pesar de ello, si se utilizan indebidamente, es posible que surjan peligros que pueden afectar al usuario o a terceros o, también, provocar daños en el sistema. El sistema para la enseñanza de Festo Didactic ha sido concebido exclusivamente para la formación y el perfeccionamiento profesional en materia de sistemas y técnicas de automatización industrial. La empresa u organismo encargados de impartir las clases y/o los instructores deben velar por que los estudiantes/aprendices respeten las indicaciones de seguridad que se describen en el presente manual. Festo Didactic excluye cualquier responsabilidad por lesiones sufridas por el instructor, por la empresa u organismo que ofrece los cursos y/o por terceros, si la utilización del presente conjunto de aparatos se realiza con propósitos que no son de instrucción, a menos que Festo Didactic haya ocasionado dichos daños premeditadamente o con extrema negligencia. IV Festo Didactic GmbH & Co. KG

5 Prólogo El sistema de enseñanza en materia de sistemas y técnica de automatización industrial de Festo se rige por diversos planes de estudios y exigencias que plantean las profesiones correspondientes. En consecuencia, los equipos didácticos están clasificados según los siguientes criterios: Conjuntos didácticos de orientación tecnológica Mecatrónica y automatización de procesos de fabricación Automatización de procesos continuos y técnica de regulación Robótica móvil Equipos didácticos híbridos El sistema para enseñanza de la técnica de automatización se actualiza y amplía regularmente, a la par que avanzan los métodos utilizados en el sector didáctico y se introducen nuevas tecnologías en el sector industrial. Los equipos didácticos técnicos abordan los siguientes temas: neumática, electroneumática, hidráulica, electrohidráulica, hidráulica proporcional, controles lógicos programables, sensores, electrotecnia, electrónica y actuadores eléctricos. Los equipos didácticos tienen una estructura modular, por lo que es posible dedicarse a aplicaciones que rebasan lo previsto por cada uno de los equipos didácticos individuales. Por ejemplo, es posible trabajar con controles lógicos programables para actuadores neumáticos, hidráulicos y eléctricos. Festo Didactic GmbH & Co. KG V

6 Todos los conjuntos didácticos incluyen lo siguiente: Hardware (equipos técnicos) Material didáctico Seminarios Hardware (equipos técnicos) El hardware incluye componentes y equipos industriales que han sido adaptados para fines didácticos. La selección de componentes de los equipos didácticos y su ejecución se realiza específicamente según los proyectos previstos para cada nivel. Material didáctico Los medios relacionados con cada tema se clasifican en teachware (material didáctico) y software. El «teachware» orientado hacia la práctica, incluye lo siguiente: Libros técnicos y libros de enseñanza (publicaciones estándar para la adquisición de conocimientos de carácter fundamental). Manuales de trabajo (con ejercicios prácticos, informaciones complementarias y soluciones modelo) Diccionarios, manuales, publicaciones técnicas (profundizan los temas técnicos) Transparencias para proyección y vídeos (para crear un entorno de estudio ilustrativo y activo) Pósters (para la representación esquematizada de temas técnicos) El software incluye programas para las siguientes aplicaciones: Programas didácticos digitales (temas de estudio preparados didácticamente, aprovechando diversos medios digitalizados) Software de simulación Software de visualización Software para la captación de datos de medición Software para diseño de proyectos y construcción Software de programación para controles lógicos programables Los medios de estudio y enseñanza se ofrecen en varios idiomas. Fueron concebidos para la utilización en clase, aunque también son apropiados para el estudio autodidáctico. Seminarios Los contenidos que se abordan mediante los equipos didácticos se completan mediante una amplia oferta de seminarios para la formación y el perfeccionamiento profesional. Tiene alguna sugerencia o desea expresar una crítica en relación con el presente manual? Envíe un a: Los autores y Festo Didactic están interesados en conocer su opinión. VI Festo Didactic GmbH & Co. KG

7 Introducción El presente manual de trabajo forma parte del sistema para la enseñanza en materia de sistemas y técnica de automatización industrial de Festo Didactic GmbH & Co. KG. El sistema constituye una sólida base para la formación y el perfeccionamiento profesional de carácter práctico. El equipo didáctico para electrotecnia/electrónica (TP 1011) aborda los siguientes temas: Principios básicos de la técnica de corriente continua Principios básicos de la técnica de corriente alterna Principios básicos de los semiconductores Circuitos básicos en la electrónica El manual de trabajo de principios básicos de los semiconductores aborda el tema de los elementos de sistemas con semiconductores. En una primera fase se analizan diversos tipos de diodos, tales como diodo semiconductor, diodo Z y diodo emisor de luz, para explicar diversos conceptos básicos. Se trata la teoría de diversos temas (por ejemplo, unión P-N, tensión inversa o corriente directa) y, siempre que sea posible, se realizan mediciones prácticas. Además se aborda el tema de los transistores bipolares y unipolares. Para efectuar el montaje de los circuitos eléctricos y para evaluarlos, es necesario disponer de un equipo de laboratorio que debe incluir una fuente segura de alimentación de tensión de la red, dos multímetros digitales, un osciloscopio con memoria y dos cables de seguridad de laboratorio. Para solucionar las tareas de los 5 ejercicios relacionados con el tema de los semiconductores se necesitan los componentes incluidos en el conjunto TP Además, se ofrecen hojas de datos correspondientes a todos los componentes (diodos, transistores, aparatos de medición, etc.). Festo Didactic GmbH & Co. KG VII

8 Indicaciones de seguridad y utilización Informaciones generales Los estudiantes únicamente podrán trabajar con los equipos en presencia de un instructor. Lea detenidamente las hojas de datos correspondientes a cada uno de los componentes y, especialmente, respete las respectivas indicaciones de seguridad. Los fallos que podrían mermar la seguridad no deberán ocasionarse durante las clases y deberán eliminarse de inmediato. Sistema eléctrico Peligro de muerte en caso de rotura del cable de protección! El cable protector (amarillo/verde) no deberá cortarse ni dentro ni fuera del aparato. No deberá dañarse o retirarse el aislamiento del cable de protección. En plantas o talleres industriales deberán respetarse las normas de utilización de equipos eléctricos definidas por las autoridades competentes. En centros de formación y en talleres de instrucción, el uso de unidades de conexión a la red eléctrica deberá supervisarse por personal debidamente cualificado. Precaución Los condensadores pueden estar cargados, aunque el aparato como tal haya sido separado de todas las fuentes de tensión. A tener en cuenta al sustituir fusibles: Utilice únicamente fusibles apropiados y previstos para la intensidad nominal correcta. Nunca conecte de inmediato la unidad de conexión a la red eléctrica si estuvo almacenada en un espacio de baja temperatura y si se pretende utilizarla en un espacio de temperatura ambiente mayor. En determinadas circunstancias adversas, el condensado que se forma en estas condiciones podría destruir la unidad. No conecte la unidad hasta que alcance la temperatura ambiente. Al resolver las tareas utilice en los circuitos una tensión de funcionamiento máxima de 25 V AC. Establezca las conexiones únicamente si no está conectada la tensión. Separe las conexiones eléctricas únicamente tras haber desconectado la tensión. Utilizar únicamente cables provistos de conectores de seguridad. Al desconectar los cables, únicamente tire de los conectores de seguridad, nunca de los cables. VIII Festo Didactic GmbH & Co. KG

9 Conjunto didáctico: Fundamentos de electrotecnia/electrónica (TP 1011) El equipo didáctico tecnológico TP 1011 incluye una gran cantidad de material didáctico. Esta parte del conjunto didáctico TP 1011 aborda el tema de los principios básicos de los semiconductores. Los componentes del equipo didáctico TP 1011 también pueden formar parte del contenido de otros equipos didácticos. Componentes principales del TP 1011 Laboratorio de estudio EduTrainer con sistema de conexiones universales Conjunto de componentes para electrotecnia/electrónica, con conectores y cables de seguridad Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer Instalaciones de laboratorio completas Material didáctico El material didáctico del equipo didáctico TP 1011 incluye manuales de estudio, colecciones de tablas y manuales de trabajo. Los manuales técnicos ofrecen explicaciones ilustrativas y claramente estructuradas sobre los fundamentos de los semiconductores. Los manuales de trabajo incluyen las hojas de ejercicios, las soluciones y un CD-ROM. Cada manual de trabajo se entrega con las hojas de ejercicios y de trabajo correspondientes a cada tarea a resolver. El equipo didáctico se entrega con hojas de datos correspondientes a los componentes del hardware. Además, las hojas de datos también constan en el CD-ROM. Material didáctico Manuales de trabajo Programas de estudio digitalizados Fundamentos de la técnica de corriente continua Fundamentos de la técnica de corriente alterna Fundamentos de semiconductores Circuitos básicos de la electrónica WBT Electricidad 1: Fundamentos de la electricidad WBT Electricidad 2: Circuitos de corriente continua y circuitos de corriente alterna WBT Electrónica 1: Fundamentos de los semiconductores WBT Electrónica 2: Circuitos impresos integrados WBT Medidas de protección eléctricas (WBT = Web Based Training = curso a través de la red) Cuadro general de los medios correspondientes al equipo didáctico TP 1011 El equipo didáctico TP 1011 incluye los siguientes programas didácticos digitales: «Electricidad 1», «Electricidad 2», «Electrónica 1», «Electrónica 2» y «Medidas de protección eléctricas». Estos programas didácticos ofrecen explicaciones exhaustivas sobre los fundamentos de la electricidad y la electrónica. Los contenidos didácticos abordan estos temas de modo sistemático y recurriendo a ejemplos reales. El material didáctico se ofrece en varios idiomas. Los materiales didácticos disponibles constan en los catálogos y en Internet. Festo Didactic GmbH & Co. KG IX

10 Objetivos didácticos: Fundamentos de los semiconductores Al final del curso, el estudiante habrá adquirido los siguientes conocimientos: Construcción y funcionamiento de diodos semiconductores. Transcurso de la línea característica del diodo de silicio. Valores característicos más importantes de diodos semiconductores. Determinación del punto de trabajo de un diodo mediante diagrama. Funcionamiento de un diodo Z. Relación existente entre tensiones y corrientes en un circuito estabilizador con diodo Z. Dimensionamiento de un circuito estabilizador. Funcionamiento de diodos emisores de luz. Relación existente entre los colores de los diodos emisores de luz (LED) y la tensión directa. Dimensionamiento de la resistencia primaria de un LED. Construcción y funcionamiento de transistores. Línea característica de entrada, línea característica de amplificación de corriente y línea característica de salida Ajuste del punto de trabajo de un transistor. Determinación de la amplificación de tensión alterna y de corriente alterna correspondiente a una etapa de potencia. Funcionamiento de transistores de efecto de campo y diferencias entre estos tipos de transistores. Parámetros característicos principales del transistor de efecto de campo de unión. Líneas características de entrada y de salida del transistor de efecto de campo de unión. Lectura de la tensión de estrangulamiento del transistor de efecto de campo (FET) en base a las líneas características. Sistema de accionamiento de una lámpara mediante un transistor de efecto de campo (FET). X Festo Didactic GmbH & Co. KG

11 Atribución de los ejercicios en función de los objetivos didácticos. Fundamentos de los semiconductores. Objetivo didáctico Ejercicio Construcción y el funcionamiento de diodos semiconductores. Transcurso de la línea característica del diodo de silicio. Valores característicos más importantes de diodos semiconductores. Determinación del punto de trabajo de un diodo mediante diagrama. Funcionamiento de un diodo Z. Relación existente entre tensiones y corrientes en un circuito estabilizador con diodo Z. Dimensionamiento de un circuito estabilizador. Funcionamiento de diodos emisores de luz. Relación existente entre los colores de los diodos emisores de luz (LED) y la tensión directa. Dimensionamiento de la resistencia primaria de un LED. Construcción y funcionamiento de transistores. Línea característica de entrada, línea característica de amplificación de corriente y línea característica de salida Ajuste del punto de trabajo de un transistor. Determinación de la amplificación de tensión alterna y de corriente alterna correspondiente a una etapa de potencia. Funcionamiento de transistores de efecto de campo y diferencias entre estos tipos de transistores. Parámetros característicos principales del transistor de efecto de campo de unión. Líneas características de entrada y de salida del transistor de efecto de campo de unión. Lectura de la tensión de estrangulamiento del transistor de efecto de campo (FET) en base a las líneas características. Sistema de accionamiento de una lámpara mediante un transistor de efecto de campo (FET). Festo Didactic GmbH & Co. KG XI

12 Equipo didáctico El manual del trabajo titulado «Fundamentos de los semiconductores» permite adquirir conocimientos relacionados con la construcción y el funcionamiento de los componentes incluidos en circuitos básicos y circuitos de aplicaciones sencillas. El equipo didáctico de electrotecnia/electrónica (TP 1011) incluye los componentes necesarios para alcanzar los objetivos didácticos definidos. Para efectuar el montaje de los circuitos y evaluarlos se necesitan adicionalmente dos multímetros digitales, un osciloscopio con memoria y cables de seguridad de laboratorio. Equipo didáctico «Fundamentos de la electrotecnia/electrónica», referencia: Componente Referencia Cantidad Fuente de alimentación eléctrica para EduTrainer Conectores universales EduTrainer Conjunto de componentes electrotecnia/electrónica Conjunto de conectores de 19 mm de color gris Lista de componentes incluidos en el equipo didáctico «Fundamentos de la electrotecnia/electrónica», referencia: Componente Cantidad Resistencia, 10 Ω/2 W 1 Resistencia, 22 Ω/2 W 2 Resistencia, 33 Ω/2 W 1 Resistencia, 100 Ω/2 W 2 Resistencia, 220 Ω/2 W 1 Resistencia, 330 Ω/2 W 1 Resistencia, 470 Ω/2 W 2 Resistencia, 680 Ω/2 W 1 Resistencia, 1 KΩ/2 W 3 Resistencia, 2,2 KΩ/2 W 2 Resistencia, 4,7 KΩ/2 W 2 Resistencia, 10 KΩ/2 W 3 Resistencia, 22 KΩ/2 W 3 Resistencia, 47 KΩ/2 W 2 Resistencia, 100 KΩ/2 W 2 Resistencia, 1 MΩ/2 W 1 XII Festo Didactic GmbH & Co. KG

13 Componente Cantidad Potenciómetro, 1 KΩ/0,5 W 1 Potenciómetro, 10 KΩ/0,5 W 1 Resistencia dependiente de la temperatura (NTC), 4,7 KΩ/0,45 W 1 Resistencia dependiente de la luz (LDR), 100 V/0,2 W 1 Resistencia dependiente de la tensión (VDR), 14 V/0,05 W 1 Condensador, 100 pf/100 V 1 Condensador, 10 nf/100 V 2 Condensador, 47 nf/100 V 1 Condensador, 0,1 μf/100 V 2 Condensador, 0,22 μf/100 V 1 Condensador, 0,47 μf/100 V 2 Condensador, 1,0 μf/100 V 2 Condensador, 10 μf/250 V, polarizado 2 Condensador, 100 μf/63 V, polarizado 1 Condensador, 470 μf/50 V, polarizado 1 Bobina, 100 mh/50 ma 1 Diodo, AA118 1 Diodo, 1N Diodo Z, ZPD 3,3 1 Diodo Z, ZPD 10 1 Diac, 33 V/1 ma 1 Transistor NPN, BC140, 40 V/1 A 2 Transistor NPN, BC547, 50 V/100 ma 1 Transistor PNP, BC160, 40 V/1 A 1 Transistor JFET canal P, 2N3820, 20 V/10 ma 1 Transistor JFET canal N, 2N3819, 25 V/50 ma 1 Transistor UNIJUNCTION, 2N2647, 35 V/50 ma 1 Transistor MOSFET canal P, BS250, 60 V/180 ma 1 Tiristor, TIC 106, 400 V/5 A 1 Triac, TIC206, 400 V/4 A 1 Bobina de transformador, N = Bobina de transformador, N = Inducido férrico de transformador, con elemento de fijación 1 Lámpara indicadora, 12V/62 ma 1 Diodo emisor de luz (LED), 20 ma, azul 1 Diodo emisor de luz (LED), 20 ma, rojo o verde 1 Conmutador 1 Festo Didactic GmbH & Co. KG XIII

14 Símbolos de los componentes Componente Símbolo gráfico Componente Símbolo gráfico Resistencia Diodo Z Potenciómetro Diac Resistencia dependiente de la temperatura (NTC) Transistor NPN Resistencia dependiente de la luz (LDR) Transistor PNP Resistencia dependiente de la tensión Transistor JFET canal P U Condensador Transistor JFET canal N Condensador polarizado Transistor UNIJUNCTION Bobina Transistor MOSFET canal P Diodo Tiristor XIV Festo Didactic GmbH & Co. KG

15 Componente Símbolo gráfico Componente Símbolo gráfico Triac LED azul Bobina de transformador LED rojo o verde Lámpara indicadora Conmutador Festo Didactic GmbH & Co. KG XV

16 Atribución de componentes y ejercicios en función de los objetivos didácticos. Fundamentos de los semiconductores. Ejercicio Componente Resistencia de 10 Ω, 2W 1 Resistencia de 100 Ω, 2W 1 1 Resistencia de 220 Ω, 2W 1 1 Resistencia de 330 Ω, 2W 1 1 Resistencia de 470 Ω, 2W 1 1 Resistencia de 680 Ω, 2W 1 Resistencia de 1 kω, 2W 1 1 Resistencia de 2,2 kω, 2W 2 Resistencia de 4,7 kω, 2W 2 1 Resistencia de 10 kω, 2W 1 1 Resistencia de 47 kω, 2W 2 Resistencia de 100 kω, 2W 1 Potenciómetro, 1 kω, 0,5 W 1 1 Potenciómetro, 10 kω, 0,5 W 1 Condensador 10 μf, polarizado 2 Condensador 100 μf, polarizado 1 Diodo 1N Diodo Z, ZPD 10 1 Diodo emisor de luz, 20 ma, azul 1 Diodo emisor de luz, 20 ma, rojo o verde 1 Lámpara indicadora, 12V, 62 ma Transistor NPN, BC140 1 Transistor NPN, BC547 1 Transistor PNP, BC160 1 Transistor JFET canal N, 2N Transistor MOSFET canal P, BS250 1 XVI Festo Didactic GmbH & Co. KG

17 Ejercicio Componente Voltímetro Amperímetro Osciloscopio 1 Fuente de alimentación eléctrica Festo Didactic GmbH & Co. KG XVII

18 Informaciones para el instructor Objetivos didácticos La meta didáctica general del presente manual consiste en que los estudiantes sean capaces de analizar y evaluar circuitos sencillos con semiconductores. Los estudiantes podrán adquirir estos conocimientos aprendiendo la teoría, montando circuitos reales y efectuando la medición de las magnitudes eléctricas. La interacción directa entre la teoría y la práctica asegura un rápido y sostenible progreso de los estudios. Los objetivos detallados constan en la lista anterior correspondiente. Los objetivos didácticos concretos e individuales están relacionados con cada ejercicio específico. Duración aproximada El tiempo necesario para desarrollar los ejercicios depende de los conocimientos previos de los alumnos. Los ejercicios pueden resolverse en aproximadamente una hora o en una hora y media. Componentes del equipo didáctico Los ejercicios y los componentes se corresponden. Para resolver los cinco ejercicios, únicamente se necesitan los componentes del equipo didáctico TP Las normas En el presente manual de trabajo se aplican las siguientes normas: EN hasta EN Símbolos gráficos utilizados en esquemas de distribución EN Sistemas industriales, equipos y productos industriales; principios aplicados para la estructuración e identificación de referencias IEC Configuración de equipos de baja tensión: principios básicos, (DIN VDE ) Normas, características generales, conceptos técnicos IEC Configuración de equipos de baja tensión: medidas de protección, (DIN VDE ) Protección contra descarga eléctrica Identificaciones utilizadas en el manual de trabajo Los textos con las soluciones y las informaciones complementarias en las representaciones gráficas aparecen en color rojo. Excepciones: Las indicaciones y las evaluaciones relacionadas con la corriente siempre aparecen de color rojo. Las indicaciones y evaluaciones relacionadas con la tensión siempre aparecen de color azul. Identificaciones utilizadas en la colección de ejercicios Las partes que deben completarse en los textos aparecen marcadas con líneas o con celdas sombreadas en las tablas. Las gráficas que deben completarse están identificadas mediante un fondo matricial. XVIII Festo Didactic GmbH & Co. KG

19 Soluciones Las soluciones que se ofrecen en el presente manual de trabajo se obtuvieron llevando a cabo mediciones de prueba. Por lo tanto, los resultados obtenidos por el instructor pueden ser diferentes. Especialidades de estudio El tema «Fundamentos de los conductores» cubre temas tratados durante el primer ciclo de estudios de formación profesional de técnicos especializados en electrónica. Estructura de los ejercicios La estructura metódica es la misma para todos los 5 ejercicios. Los ejercicios están estructurados de la siguiente manera: Título Objetivos didácticos Descripción de la tarea a resolver Circuito o esquema de instalación Tarea Medios auxiliares Hojas de ejercicios El manual de trabajo contiene las soluciones de las tareas incluidas en la colección de ejercicios. Denominación de los componentes La denominación de los componentes que constan en los esquemas se rige por la norma DIN EN Dependiendo del tipo de componente, su identificación incluye letras. Si un circuito incluye varios componentes iguales, éstos están numerados correlativamente. Resistencias: R, R1, R2,... Condensadores: C, C1, C2, Equipos emisores de señales: P, P1, P2,... Importante Si las resistencias o condensadores se entienden como magnitudes físicas, la letra de identificación aparece en cursiva (símbolo de fórmula). Si para la numeración es necesario utilizar cifras, éstas se utilizan como índices y, por lo tanto, aparecen como subíndices. Festo Didactic GmbH & Co. KG XIX

20 Contenido del CD-ROM El manual de trabajo está incluido en el CD-ROM adjunto en forma de archivo de formato pdf. El CD-ROM se incluye en calidad de material didáctico complementario. Estructura del contenido del CD-ROM: Instrucciones de utilización Imágenes Información sobre productos Instrucciones de utilización Instrucciones para la utilización apropiada de los diversos componentes incluidos en el equipo didáctico. Estas instrucciones son útiles al efectuar el montaje y poner en funcionamiento los componentes respectivos. Imágenes Mediante fotografías y representaciones gráficas se muestran aplicaciones industriales reales. Estas imágenes pueden aprovecharse para entender mejor la tarea a resolver en cada ejercicio. Además, pueden utilizarse para ampliar y completar la presentación de proyectos. Información sobre productos Se ofrecen informaciones del correspondiente fabricante sobre cada uno de los componentes seleccionados. Esta forma de explicar estos componentes tiene la finalidad de demostrar cómo se presentan los componentes en un catálogo industrial. Además, estas páginas incluyen informaciones complementarias sobre los componentes. XX Festo Didactic GmbH & Co. KG

21 Contenido Ejercicios y soluciones Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia 3 Ejercicio 2: Estabilización de la tensión de salida de una fuente de alimentación mediante diodos Z 21 Ejercicio 3: Determinación de la resistencia primaria de un diodo emisor de luz 39 Ejercicio 4: Amplificación de la señal de salida de un micrófono 51 Ejercicio 5: Control de una lámpara con un transistor de efecto de campo 81 Festo Didactic GmbH & Co. KG

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23 Ejercicio 1 Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia Objetivos didácticos Una vez realizado este ejercicio, habrá adquirido los conocimientos que se indican a continuación y, por lo tanto, habrá alcanzado las metas didácticas correspondientes: Construcción y funcionamiento de diodos semiconductores. Transcurso de la línea característica del diodo de silicio. Valores característicos más importantes de diodos semiconductores. Determinación del punto de trabajo de un diodo mediante diagrama. Descripción de la tarea a resolver Un secador de pelo con dos niveles de regulación utiliza un rectificador de una vía para reducir la potencia en el nivel 1 de temperatura. Debido a la tensión continua pulsante, la potencia se reduce a la mitad. La corriente máxima que fluye a través del diodo es de 0,7 A. Usted puede elegir entre los diodos 1N4007, 1N4148 y BAX18. Compruebe cuál de estos diodos es apropiado en este caso. Esquema de situación Secador de pelo con dos niveles de temperatura Festo Didactic GmbH & Co. KG

24 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia Tareas a resolver 1. Estudie la construcción de diodos semiconductores. 2. Analice el funcionamiento de un diodo semiconductor. 3. Obtenga la línea característica de un diodo semiconductor. 4. Determine el punto de trabajo de un diodo semiconductor. 5. Explique los valores característicos y valores límite de diodos semiconductores 6. Seleccione el diodo más apropiado para el secador de pelo. Explique su elección. Medios auxiliares Hojas de datos Manuales de textos técnicos Colección de tablas WBT Electrónica 1 (Web Based Training) 4 Festo Didactic GmbH & Co. KG

25 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia 1. Construcción de diodos semiconductores Información Los diodos son semiconductores. Tienen una capa P y una capa N. Al unir ambas capas de dopado diferente, se obtiene la unión PN. P N a) Complete las frases siguientes: La conexión en la capa P se llama ánodo. La conexión en la capa N se llama cátodo. b) Nombre dos materiales semiconductores que se utilizan en diodos. Los materiales más utilizados en semiconductores son el silicio y, en menor medida, el germanio. c) Dibuje el símbolo de un diodo semiconductor e identifique las dos conexiones por su nombre : Ánodo 2 : Cátodo d) Compare el símbolo y la imagen del diodo que se incluye a continuación. Identifique las conexiones. Explique su respuesta : Ánodo 2 : Cátodo Explicación El anillo se utiliza para identificar el cátodo. Festo Didactic GmbH & Co. KG

26 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia 2. Funcionamiento de diodos semiconductores a) En resistencia y bombillas no tiene importancia la polaridad. Sucede lo mismo en el caso de los diodos? Efectúe el montaje según el esquema. Primero incluya en el circuito el diodo con la polaridad que se indica en 1. A continuación, incluya en el circuito el diodo con la polaridad que se indica en 2. P + U =12V R R 1 2 Circuito de medición con diodo Identificación Denominación Parámetros R Diodo 1N4007 P Lámpara indicadora 12 V, 62 ma Fuente de alimentación 0 25 V Lista de componentes b) Indique lo que observó en ambos casos. La lámpara únicamente se enciende si el diodo tiene la polaridad que se indica en el circuito 1. c) A qué conclusión puede llegarse en relación con el diodo? Ello significa que la polarización sí tiene importancia en el caso de los diodos. Los diodos semiconductores permiten el paso de corriente en un solo sentido. En sentido contrario, bloquean el paso de corriente. 6 Festo Didactic GmbH & Co. KG

27 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia d) Según la polarización, se diferencia entre sentido directo y sentido de bloqueo. Incluya en el circuito el diodo con la polarización correcta. Sentido directo Sentido de bloqueo P P + U =12V R + V U F U =12V V U R R e) Verifique si se trata de un diodo ideal. Con ese fin conecte un multímetro en paralelo en relación con el diodo y mida la caída de tensión en el diodo, una vez en sentido directo y la siguiente en sentido de bloqueo. Sentido directo U F = 0,7 V Sentido de bloqueo U R = 12 V f) Una vez realizadas las mediciones, a qué conclusiones se puede llegar? En el sentido de bloqueo toda la tensión está puesta en el diodo debido a la gran resistencia que éste ofrece. En sentido directo, la tensión directa es pequeña. Por esta razón, la conductividad del diodo no es ideal. Festo Didactic GmbH & Co. KG

28 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia 3. Obtención de la línea característica de un diodo semiconductor Información La línea característica corriente-tensión describe el funcionamiento del diodo semiconductor. Esta línea muestra la relación existente entre la corriente que fluye a través del diodo y la tensión conectada. R V A I F + U =0 25V V U F R Sentido directo R V A I R + U =0 25V V U R R Sentido de bloqueo Circuitos de medición para obtener la línea característica 8 Festo Didactic GmbH & Co. KG

29 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia Identificación Denominación Parámetros R V Resistencia 1 kω, 2 W R Diodo 1N4007 Voltímetro Amperímetro Fuente de alimentación 0 25 V Lista de componentes a) Para determinar la dependencia que tiene el flujo de corriente de la tensión puesta, conecte al diodo diversas tensiones directas U F según se indica en la tabla y mida en cada caso la correspondiente corriente de directa I F. Incluya los valores medidos en la tabla. Para efectuar la medición en la zona directa, utilice el procedimiento voltiamperimétrico, conexión U (circuito a). U F [V] 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 I F [ma] ,17 1,47 12,6 Sentido directo Para efectuar la medición en la zona de bloqueo, utilice el procedimiento voltiamperimétrico, conexión I (circuito b). U R [V] 0,0 2,5 5 7, I F [na] Sentido de bloqueo Festo Didactic GmbH & Co. KG

30 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia b) Obtención de la línea característica de diodos Incluya en el diagrama los valores obtenidos mediante las dos mediciones. I F [ma] U R [V] I R [na] U F [V] Línea característica de diodos c) Describa la relación que existe entre intensidad y tensión. Primero aumenta lentamente la tensión directa al aumentar la intensidad. A partir de una determinada tensión, aumenta rápidamente la corriente directa. Al conectarse una tensión inversa, no se detecta flujo de corriente al aumentar la tensión. d) Cómo se llama la tensión que se torna conductiva en un diodo? Esta tensión se llama tensión umbral o tensión de codo. e) Determine la tensión umbral del diodo trazando una tangente en la línea característica del diodo. De qué material semiconductor se trata? (Tensiones umbral: Diodo de Ge: 0,3 V. Diodo de Si: 0,7 V) La tensión umbral es de 0,7 V. Por lo tanto, se trata de un diodo de silicio. 10 Festo Didactic GmbH & Co. KG

31 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia 4. Determinación del punto de trabajo Información Para determinar el punto de trabajo de un diodo suele recurrirse a una representación gráfica. a) Determine el punto de trabajo del siguiente circuito. R V R U R U F U Conexión en serie de diodo y resistencia; U = 1,5 V, R V = 0,5 Ω I [A] I F U [V] U F U R Línea característica del diodo 1N4007 Incluya la recta de carga de la resistencia de manera simétricamente inversa. 1. Marque el punto de intersección con el eje X en U. 2. Marque el punto de intersección con el eje Y en U/R V. 3. Una los dos puntos. Marque el punto de trabajo. El punto de trabajo marca el punto de intersección entre la línea recta de carga. Festo Didactic GmbH & Co. KG

32 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia b) Recurriendo al punto de trabajo es posible determinar la tensión U F, la tensión U R y la corriente I F. Incluya los valores necesarios en la línea característica y lea los valores obtenidos de esta manera. Tensión directa U F = Tensión U R = Corriente directa I F = 0,96 V 0,54 V 1,07 A 5. Valores característicos y valores límite de diodos semiconductores a) Describa lo que se entiende bajo valores característicos y valores límite. Valores característicos Estos valores se refieren a las propiedades que tiene un semiconductor considerando un determinado punto de trabajo. Valores límite Se trata del valor que no debe superarse para evitar el daño inmediato del semiconductor. b) Defina el significado de los valores característicos más importantes. Tensión directa U F Se trata de la tensión eléctrica que fluye en sentido directo. Corriente directa I F Se trata de la corriente eléctrica que fluye en sentido directo. 12 Festo Didactic GmbH & Co. KG

33 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia c) Defina el significado de los valores límite más importantes. Tensión inversa máxima de pico repetitivo U RRM Tensión inversa de manifestación periódica máxima admitida. Impulso de corriente directa I FSM Impulso de corriente único y máximo admisible de duración definida. Potencia disipada P tot Potencia disipada máxima admisible d) Recurriendo a la hoja de datos, determine los valores característicos y los valores límite correspondientes al diodo 1N4007. Diodo Tensión directa U F Corriente directa I F Tensión inversa de pico repetitivo U RRM Impulso de corriente directa I FSM 1N4001 < 1,1 V 1 A V 30 A e) Averigüe qué significa el «RMS máximo» que consta en la hoja de datos del diodo. RMS son las siglas correspondientes al valor eficaz (inglés: root mean square). Por lo tanto, U RMS es el valor eficaz repetitivo máximo admisible de la tensión inversa. Festo Didactic GmbH & Co. KG

34 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia 6. Selección del diodo apropiado para reducir la potencia Información Para seleccionar un diodo rectificador deben tenerse en cuenta principalmente la tensión inversa máxima de pico repetitivo U RRM y la potencia disipada P tot. Ambos valores no deben exceder los respectivos valores límite. a) Recurriendo a las hojas de datos disponibles, determine cuál de los tres diodos es apropiado en el circuito. Explique su respuesta R U f eff = 230 V =50Hz 0 U F R V Esquema del circuito. Resistencia R V : 680 Ω Valores conocidos Datos incluidos en las hojas de datos de los diodos BAX18, 1N4148 y 1N4007 Tensión de entrada U eff = 230 V Corriente directa I Fmáx = 0,5 A Incógnita Tensión inversa máxima de pico repetitivo U RRM Potencia disipada P tot 14 Festo Didactic GmbH & Co. KG

35 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia Cálculo Qué tensión inversa máxima de pico repetitivo U RRM se puede conectar al diodo? El valor eficaz de la tensión alterna es U eff = 230 V. Por lo tanto, el valor de la amplitud de la tensión alterna es U = 325 V. En consecuencia, la tensión inversa máxima que puede conectarse al diodo es de 325 V. Calcule la potencia disipada P máxima de los diodos con una temperatura ambiente de 25 C. Para efectuar el cálculo, recurra a las hojas de datos. La potencia disipada máxima del diodo se obtiene cuando se conecta la tensión máxima en la entrada. La tensión es máxima cuando se alcanza la amplitud máxima de la tensión de entrada (U = 325 V). Marque el punto de trabajo y constate los valores de U F en ese punto. Cálculo de potencia: P = UF IF Leer U F en la línea característica correspondiente. P 1N4148 = No es necesario realizar el cálculo, ya que I F = 150mA P BAX18 = 0,9 V 0,5 A = 0,45 W = 450 mw (no es necesario realizar el cálculo, ya que U RRM = 110 V) P 1N4007 = 0,85 V 0,5 A = 0,425 W = 425 mw Festo Didactic GmbH & Co. KG

36 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia b) Compare los valores calculados con los valores límite que constan en la hoja de datos. Seleccione un diodo. Explique su respuesta. En las hojas de datos constan los siguientes valores: Diodo 1N4007 Diodo BAX18 Diodo 1N4148 U RRM V 110 V 100 V P tot 3 W 80 mw 500 mw Según los cálculos se obtienen los siguientes valores: Diodo 1N4007 Diodo BAX18 Diodo 1N4148 U RRM 325 V 325 V 325 V P tot 425 mw 450 mw En este circuito únicamente se puede utilizar el diodo 1N4007. Si se utiliza el diodo BAX18, la tensión inversa pico periódica U RRM es inferior a la tensión de bloqueo real. Además, la potencia disipada que surge con el diodo BAX18 es superior a la potencia disipada admisible P tot. En el caso del diodo 1N4148, la corriente directa máxima admisible es de tan sólo 150 ma, por lo que es muy inferior a la corriente real en estado de conducción de 0,5 A. 16 Festo Didactic GmbH & Co. KG

37 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia Extracto de la hoja de datos del diodo 1N4007 Festo Didactic GmbH & Co. KG

38 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia Extracto de la hoja de datos del diodo 1N Festo Didactic GmbH & Co. KG

39 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia Extracto de la hoja de datos del diodo BAX18 Festo Didactic GmbH & Co. KG

40 Ejercicio 1: Selección de diodos semiconductores para reducir la potencia 20 Festo Didactic GmbH & Co. KG

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