Guía de laboratorio No. 4 DIODO ZENER Y AMPLIFICADOR OPERACIO- NAL

Transcripción

1 Guía de laboratorio No. 4 DIODO ZENER Y AMPLIFICADOR OPERACIO- NAL En esta guía se estudiará el diodo Zener como regulador de tensión, así como la aplicación de circuitos integrados con amplificadores operacionales. Duración: Una semana 1. Objetivos 1.1. Objetivo general Determinar las características I vs. V del diodo Zener, estudiar su aplicación en fuentes reguladas y analizar y diseñar circuitos con amplificadores operacionales en configuraciones básicas Objetivos específicos Comprobar de forma experimental el modelo característico del diodo Zener. Diseñar fuentes de tensión constante bajo condiciones variables en la señal de entrada o en la carga. Estudiar el funcionamiento de amplificadores operacionales en configuración de Inversor, No-Inversor y Sumador- Restador. 2. Equipos e instrumentos requeridos Generador de señales Osciloscopio de doble traza Multímetro Dos sondas Dos sondas atenuadoras Fuente dual Diodos Zener 1N4733, 1N4738 OP-AMP LM348, LM741 ó LF Desarrollo de la práctica A lo largo de esta guía se describen las actividades sugeridas para realizar previo al día de la práctica y durante su ejecución. Una lectura completa de la guía le permitirá estimar el tiempo total y los recursos necesarios para desarrollarla completamente. 1

2 3.1. Previo al día de la práctica Consulte las hojas de datos de los diodos Zener y el amplificador operacional requeridos. Verifique las aplicaciones de los diodos Zener y la polarización correcta de los dispositivos. Consulte las tensiones máximas y mínimas para la polarización de los amplificadores operacionales seleccionados. Consulte los principios de funcionamiento del amplificador operacional. Explique el funcionamiento y calcule la ganancia como no-inversor(figura 3), inversor (Figura 4) y sumador-restador (Figura 5). Explique cómo calcular el ancho de banda de los circuitos propuestos a partir del diseño y los parámetros indicados en la hoja de datos Cálculos Adquiera para la práctica un diodo Zener 1N4738. Asumiendo que V 1 = V Z + 10 V, calcule para el circuito de la Figura 1 el valor de R 1 de tal manera que cuando R V1 = 0 Ω la corriente en el diodo cumpla I z < I zmax ; y el valor de R V1 de tal manera que cuando R V1 = R V1max la corriente en el diodo cumpla I z I zmin. Figura 1: Circuito de caracterización de un diodo Zener Adquiera para la práctica un diodo Zener 1N4733. Calcule para el circuito de la Figura 2 el valor de R 1 de tal manera que no se exceda la potencia máxima del diodo Zener y que la tensión en la carga sea la indicada por el fabricante. Figura 2: Circuito de fuente regulada por diodo Zener Adquiera para la práctica un circuito integrado con amplificador operacional entre las referencias sugeridas e inspeccione la hoja de datos para emplearlo correctamente. Seleccione el valor de las resistencias del circuito mostrado en la Figura 3 para obtener una salida de 12 V p cuando la señal de entrada es una senoidal de 3 V p y frecuencia 1kHz. Aplique una tensión de polarización V CC adecuada teniendo en cuenta el valor máximo indicado en la hoja de datos. Seleccione el valor de las resistencias del circuito mostrado en la Figura 4 para obtener una salida de 2 V p cuando la señal de entrada es una senoidal de 1V p y frecuencia 1kHz. Aplique una tensión de polarización V CC adecuada teniendo en cuenta el valor máximo indicado en la hoja de datos. 2

3 Figura 3: Amplificador No-Inversor Figura 4: Amplificador Inversor Diseñe un sumador-restador que permita obtener una tensión de salida de 2,5 V p en el circuito de la Figura 5 cuando V in1 es una señal cuadrada de 2 V p a 10kHz y V in2 es una señal cuadrada de 3 V p a 10kHz. Aplique una tensión de polarización V CC adecuada teniendo en cuenta el valor máximo indicado en la hoja de datos. Verifique la función de transferencia. Figura 5: Circuito Sumador-Restador 3

4 Simulación Simule los circuitos mostrados en las Figuras 1 y 2. Compruebe los cálculos realizados previamente. Valide mediante simulación las funciones de transferencia de los circuitos con amplificadores operacionales diseñados a partir de las Figuras 3, 4, 5. Compare en la misma gráfica las funciones de entrada y salida. Apóyese en el modo XY para visualizar la relación entre las señales Montajes Implemente los circuitos de las Figuras 1 y 2 en protoboard. Implemente los circuitos con amplificadores operacionales de las Figuras 3, 4, 5 en protoboard de acuerdo con los cálculos realizados. Nota: Los montajes deben presentarse al inicio de la práctica para obtener la autorización de préstamo de equipos El día de la práctica La sesión de la práctica tiene una duración de 90 minutos, por lo que se recomienda seguir el procedimiento en los tiempos sugeridos para garantizar la realización completa de la práctica Procedimiento En el circuito de la Figura 1 varíe el potenciómetro R V1 desde 0 Ω hasta su valor máximo, tome mediciones de la tensión y la corriente en el diodo para trazar su curva característica. Trace una recta tangente a la curva obtenida en el valor de la corriente de prueba I Z0 establecida por el fabricante y determine el valor de tensión de ruptura VZ como el corte de esta recta con el eje de abscisas. Calcule el valor de la resistencia dinámica del diodo en el valor de la corriente de prueba I Z0. Compare los resultados obtenidos con los descritos por el fabricante. En el circuito de la Figura 2 tome mediciones de la tensión de entrada V 1 y de salida V O, y de la corriente suministrada por la fuente I 1 y consumida por la carga I O variando la tensión en la entrada en el rango de 15 V a 24 V. Tiempo dispuesto para el procedimiento: 45 minutos Usando la configuración de amplificador no-inversor de la Figura 3 visualice las señales de entrada y salida en el osciloscopio (Tomar valores y registrar formas de onda) y observe la relación entre las señales con ayuda del modo XY del osciloscopio. Compare el resultado obtenido con la simulación y ajuste la función de transferencia si es necesario. Para el circuito del amplificador no-inversor, cambie la tensión de polarización V CC a 10 V y observe qué sucede con la tensión en la salida. Usando la configuración de amplificador inversor de la Figura 4 visualice las señales de entrada y salida en el osciloscopio, observe la relación entre las señales con ayuda del modo XY del osciloscopio. Compare el resultado obtenido con la simulación y ajuste la función de transferencia si es necesario. Para el circuito del amplificador inversor, calcule experimentalmente el ancho de banda y compárelo con el calculado a partir de la hoja de datos del amplificador operacional. Tiempo dispuesto para el procedimiento: 45 minutos 4

5 4. Preguntas sugeridas 1. Cómo funciona el diodo Zener polarizado en directo y en inverso? 2. Cuál porcentaje de tolerancia le otorgaría a cada uno de los diodos Zener trabajados? 3. Qué limitaciones puede presentar en los circuitos la tensión de polarización y a que se deben? 4. Qué sucede al emplear polarización unipolar en los amplificadores operacionales? 5. En qué consiste el principio de corto circuito virtual para amplificadores operacionales y qué importancia tiene en el funcionamiento de las configuraciones estudiadas en la práctica? 6. Cómo afecta la frecuencia de la señal de entrada en el funcionamiento de los circuitos estudiados? 5. Evaluación Se realizará una evaluación integral de la práctica, en la que se tendrá en cuenta la asistencia, la disposición, la preparación previa (preinforme y montaje), la funcionalidad, la sustentación y el informe. Se aplicará un alto nivel de exigencia en los criterios de participación. Bibliografía D. Neamen, Mircoelectronics: Circuit Analysis and Design, 4a ed, New York, McGraw-Hill Higher Education, A. S. Sedra, K. C. Smith, Microelectronic Circuits Revised Edition, 5a ed. New York, Oxford University Press, Inc., F. Coughlin and F. Driscoll Daly, Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales, 5th ed. Iztapalapa: Prentice Hall, W. H. Hayt, J. E. Kemmerly y S. M. Durbin, Análisis de circuitos en ingeniería, 7ma ed, McGraw-Hill Interamericana Editores S.A., 2007 P. Horowitz, W. Hill, The Art of Electronics, 2a ed, Cambridge University Press, M. N. Horenstein, Circuitos y Dispositivos Microelectrónicos, 2a ed, México, Prentice Hall Hispanoamericana, Manuales y hojas de especificaciones de los equipos de laboratorio. Hojas de datos de los componentes electrónicos solicitados. 5