Laboratorio de Caracterización de Dispositivos Electrónicos INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN. Departamento de Electrónica Universidad de Alcalá

Transcripción

1 Laboraorio de Caracerización de Disposiivos Elecrónicos INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN Deparameno de Elecrónica Universidad de Alcalá PRÁCTICA 3 Caracerización de componenes acivos DIODOS SEMICONDUCTORES Curso

2 1. Objeivos Mediane el desarrollo de esa prácica se preenden lograr los siguienes objeivos: Idenificación de los diferenes ipos de diodos semiconducores. Inerpreación del código marcado por el fabricane sobre el cuerpo. Exracción y verificación de las caracerísicas écnicas de los diodos. Simulación y realización prácica de circuios elecrónicos basados en diodos. Para ello, se va a dividir el desarrollo de la prácica en las siguienes fases: Idenificación e inerpreación de los diodos semiconducores. Obención de las caracerísicas écnicas. Monajes de aplicación. Al finalizar la prácica, el alumno deberá enregar como memoria los resulados obenidos, para lo que se proporcionan unas ablas o figuras para cada aparado. Deberán incluirse ambién las simulaciones resuelas, así como un aparado final de conclusiones, donde se comenarán los aspecos que el alumno considere más significaivos del desarrollo de la prácica. 2. Conocimienos previos necesarios Para la realización de esa prácica es conveniene repasar los conenidos eóricos desarrollados en el capíulo correspondiene a Diodos Semiconducores de la asignaura de Disposiivos Elecrónicos. Algunos conocimienos de inerés que conviene recordar son: Esrucura y simbología Curva caracerísica I-V de un diodo (idealizaciones) o Valores límies o Tensión umbral o Tensión Zéner o Inensidad inversa de sauración o Resisencia esáica y dinámica o Circuios equivalenes en cada ramo Polarización o Direca o Inversa Cálculo del puno de rabajo Comporamieno de un diodo en régimen dinámico (conmuación) o Tiempos de conmuación o Capacidades en la unión o Modelo equivalene Tipos y aplicaciones de los diodos Deparameno de Elecrónica 1

3 3. Idenificación 3.1. Esrucura y simbología Un diodo semiconducor de esado sólido es un componene elecrónico fabricado a parir de un maerial base semiconducor sobre el que se difunde una unión P-N. El erminal correspondiene a la zona P se denomina ánodo (A) y el correspondiene a la zona N, cáodo (K). En la figura 1 queda reflejada la consiución de una unión P-N, el símbolo genérico uilizado para represenar un diodo, así como la caracerísica I-V del mismo. De manera eórica, con algunas idealizaciones y aproximaciones, puede obenerse que: I = I S (e qv/kt -1) Con: I y V: inensidad y ensión por el diodo en senido ánodo-cáodo. I S : inensidad inversa de sauración. KT/q = 0,026 (T/300) Vols.: poencial érmico (T viene dado en K). V I P N I I FM Ge Si K V RM I S Vγ V Ánodo Cáodo Figura 1. Esrucura y simbología 3.2. Codificación En la codificación de diodos se disinguen res códigos fundamenales, que son: Europeo (PROELECTRÓN) Americano (JEDEC) Japonés (JIS) Habiualmene se uiliza la codificación europea o americana. Deparameno de Elecrónica 2

4 Código europeo (PROELECTRÓN) Dispone de dos o res leras seguidas de un número (que ambién puede ener alguna lera inermedia). La primera lera indica el maerial uilizado (A Germanio, B Silicio). Las oras leras son relaivas a la aplicación. (véase anexo-hojas caracerísicas). Código americano (JEDEC) El código americano empieza con 1N (una unión) seguido de un número sin ninguna significación especial que no sea de idenificación en caálogo. Evidenemene esas disinas codificaciones dan lugar a que diodos con códigos diferenes puedan ser equivalenes (caracerísicas similares) Tablas de idenificación Con ayuda de la planilla de diodos, de los caálogos y de las hojas caracerísicas compléese la abla de resulados (T1). TABLA T1- Idenificación de diodos. CÓDIGO 1N4007 OA90 1N4747 1N4148 BZX55C5V1 TIPO (Ge/Si ) FABRICANTE I F ( ma ) V RM ( v ) P ( mw ) Tjmax (ºC) I Z max ( ma ) V Z ( v ) T (%) Cp ( pf) CÁPSULA APLICACIONES Deparameno de Elecrónica 3

5 4. Obención de caracerísicas Una vez realizada la idenificación de algunos diodos se procede en ese aparado a obener la caracerísica I-V y los iempos de conmuación de alguno de ellos. Para ello es necesario uilizar: Pspice Trazador de curvas Osciloscopio 4.1. Curvas caracerísicas I-V En ese aparado se preenden obener las curvas caracerísicas de diversos diodos, ano en simulación (Pspice), como de forma prácica (razador de curvas) Simulación Mediane el Pspice obéngase la curva caracerísica I-V de los siguienes diodos: 1N4002 1N4148 1N750 Para obener la curva caracerísica I-V en simulación es necesario realizar un DC sweep del generador de ensión V1. 1. Inroducción del esquemáico: R1 R1 0Vdc V1 1k D1 0Vdc V1 1k D2 D1N4148 D1N N4148 1N Configuración parámeros de simulación (DC sweep): Ajuse de los parámeros de barrido a las caracerísicas de los diodos 1N4002, 1N4148: Barrido enre -2 y +2 vols. 1N750: Barrido enre -10 y +2 vols. Incremeno: 0.01 vols Deparameno de Elecrónica 4

6 Trazador de curvas Uilizando el razador de curvas, obéngase la curva caracerísica I-V de los siguienes diodos: 1N4007 1N4148 Aparado de refuerzo y ampliación. (opcional) Obener la caracerísica I-V del diodo BZX55C5V1 uilizando el razador de curvas. Esimar el valor de su ensión zéner Tiempos de conmuación En ese aparado se preenden obener los iempos de conmuación de un diodo, ano en simulación (Pspice), como de forma prácica (osciloscopio). La figura 2 muesra el monaje a realizar. Generador de funciones V E R=1K V D Diodo V E canal 1 del osciloscopio V D canal 2 del osciloscopio V V E V D fr iempo recuperación direco rr = s + iempo recuperación inverso fr s Figura 2. Tiempos de conmuación Para visualizar los iempos de conmuación es necesario seleccionar una señal de enrada con una frecuencia al que permia visualizarlos correcamene. La figura 3 muesra la señal de Deparameno de Elecrónica 5

7 enrada propuesa. En el caso de una visualización defecuosa de los mismos modifíquese la frecuencia de dicha señal hasa una correca visualización. 5v V E () -5v T=10us Figura 3. Señal de enrada para visualizar los iempos de conmuación Tiempos de conmuación en simulación Mediane el Pspice, obénganse los iempos de conmuación del diodo 1N4002. Para obener los iempos de conmuación en simulación es necesario realizar un esudio de respuesa en el iempo inroduciendo una señal cuadrada. 1. Inroducción del esquemáico: R1 V1 = -5 V2 = 5 TD = 0 TR = 0 TF = 0 PW = 5u PER = 10u V2 1K D3 D1N Configuración parámeros de simulación: Visualizar 2 periodos compleos de la señal de enrada Deparameno de Elecrónica 6

8 5V 0V -5V -10V 0s 5us 10us 15us 20us Para poder visualizar con mayor precisión los iempos de conmuación es necesario ampliar las zonas de visualización (zoom). Time 0.50V 0.00V 0V -0.50V -2.00V -1.00V -4.00V -1.50V -2.00V 0s 20ns 40ns 60ns 80ns 100ns 120ns Time -5.56V 5.00us 6.00us 7.00us 7.63us Time Ampliación T fr Ampliación T rr Tiempos de conmuación de forma prácica (osciloscopio) Uilizando el osciloscopio obéngase los iempos de conmuación del diodo 1N4007 (visualizando la ensión de enrada y la que cae en el diodo) según el monaje de la figura 2 y la señal de enrada de la figura 3. En el caso de una visualización no correca, ajúsese la frecuencia de la señal de enrada para una correca visualización de los mismos. Deparameno de Elecrónica 7

9 5v V E () -5v V D () Aparado de refuerzo y ampliación. (opcional) Repia el monaje con el diodo 1N4148. Compare los resulados con los obenidos con el 1N Simulación y monaje de circuios propuesos 5.1. Recificador simple (media onda) Obéngase la señal de salida de un recificador de media onda (figura 4): mediane cálculos eóricos simulación monaje prácico En el monaje prácico conece el osciloscopio visualizando V E () en el canal 1 y V S () en el canal 2 y represénese en la figura 4 la señal de salida obenida. Deparameno de Elecrónica 8

10 1N4007 V E () R=1K V S () 5v V E () -5v T=1ms V S () Figura 4. Monaje para recificación en media onda. Aparado de refuerzo y ampliación. (opcional) Obéngase la señal de salida de un recificador de media onda, como el de la figura 4, añadiéndole un condensador en paralelo a la resisencia de carga: Simulación. Represene V E (), V S (), V D (), I D (). Monaje prácico. Represene V E () y V S () simuláneamene en el osciloscopio. Ver la influencia del valor de la capacidad en el resulado considerando dos posibles valores para el condensador, 100 nf y 10 μf. Jusifique los resulados eóricamene. Deparameno de Elecrónica 9

11 5.2. Recificador doble onda (onda complea) Obéngase la señal de salida de un recificador de doble onda (figura 5). mediane cálculos eóricos simulación monaje prácico Noa: Cuidado con las masas de los canales del osciloscopio en el monaje prácico. V E () R=1K V S () Puene Diodos: 4 x 1N4007 o C1500 (FAGOR) 5v V E () -5v T=1ms V S () Figura 5. Monaje para recificador de doble onda. Aparado de refuerzo y ampliación. (opcional) Obéngase la señal de salida de un recificador de media onda, como el de la figura 5, añadiéndole un condensador en paralelo a la resisencia de carga: Simulación. Represene V E (), V S (), V D (), I D (). Monaje prácico. Represene V E () y mida el rizado de la señal obenida. Ver la influencia del valor de la capacidad en el resulado considerando dos posibles valores para el condensador, 1 μf y 10 μf. Jusifique los resulados eóricamene. Deparameno de Elecrónica 10

12 5.3. Esabilizador de ensión. Obéngase la función de ransferencia Vs=f(Ve) del circuio esabilizador de ensión mosrado en la figura 6: mediane cálculos eóricos simulación monaje prácico En simulación debe seleccionarse como eje X la señal Ve y como eje Y la señal Vs. En el monaje prácico: o Ve() al Canal 1 del osciloscopio o Vs() al Canal 2 del osciloscopio o El selecor de escala de iempos del osciloscopio en la posición final X-Y o Dibújese sobre la gráfica de la figura 6 la señal de salida obenida. V E () R=1K 1N750 V S () V E () 10v -10v T=1ms V S () V S () V E () Figura 6. Circuio para esabilización de ensión con diodo Zéner. Aparado de refuerzo y ampliación. (opcional) Simulación: inroduzca una señal de offse = 7 V y ensión pico a pico 100mV. Represene V E y V S y comene los resulados. Deparameno de Elecrónica 11

13 5.4. Circuio recorador Obéngase la función de ransferencia Vs=f(Ve) del circuio recorador mosrado en la figura 7: mediane cálculos eóricos simulación monaje prácico En simulación debe seleccionarse como eje X la señal Ve y como eje Y la señal Vs. En el monaje prácico: o Ve() al Canal 1 del osciloscopio o Vs() al Canal 2 del osciloscopio o El selecor de escala de iempos del osciloscopio en la posición final X-Y o Dibújese sobre la gráfica de la figura 7 la señal de salida obenida. 1N4007 1N4007 V E () V S () 5 V V E () 10v -10v T=1ms V S () V S () V E () Figura 7. Circuio recorador. Deparameno de Elecrónica 12

14 Aparado de refuerzo y ampliación. (opcional) Modificar el circuio para que la señal se vea recorada para valores inferiores a -3 V. Uilizando la señal de enrada empleada en el ejercicio, obener la función de ransferencia del circuio y la evolución emporal de la señal de salida eóricamene, mediane simulación y de manera experimenal. Deparameno de Elecrónica 13