Componentes Electrónicos. Prácticas - PSPICE. Práctica 1: Diodos

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2 Práctica 1: Diodos (Simulación con PSPICE) APARTADOS OBLIGATORIOS DE LA PRÁCTICA Índice: 1. El diodo en continua 1.1 Característica I-V del diodo de unión p-n Subapartado a) Subapartado b) 1.2 Característica I-V del diodo zener Subapartado a) Subapartado b) 1.3 Análisis de circuitos con diodos Ejercicio 1 2 El diodo en alterna. Aplicaciones 2.1 Convertidor de corriente AC/DC Rectificador de media onda Circuito rectificador con filtro capacitivo Estabilización de tensión con diodo zener Subapartado b) 2.2 Circuitos recortadores 1

3 En esta práctica se abordará el análisis de circuitos con diodos de unión p-n. Para ello utilizaremos el simulador circuital PSPICE, que permite simular circuitos de forma rápida y sencilla (obtener las tensiones e intensidades). En el primer apartado se analizará el comportamiento de los diodos en circuitos de corriente continua (DC). Obtendremos la curva característica I-V tanto de los diodos de unión p-n como de los diodos zener y posteriormente pasaremos a analizar circuitos con diodos. En el segundo apartado de la práctica analizaremos los circuitos típicos donde se utiliza el diodo con señales de alterna. Primeramente veremos las distintas partes que forman un convertidor AC/DC (rectificación, filtrado y estabilización de tensión) y por último veremos algunos circuitos de aplicación del diodo como recortador de señal y fijador de tensión. 1. El diodo en continua 1.1 Curva característica I-V del diodo En este apartado obtendremos la curva característica de funcionamiento del diodo, curva I-V. Para ello nos basaremos en el circuito de la figura 1. Figura 1. Circuito con diodo Para obtener la curva I-V del diodo, necesitamos que en el eje x de las simulaciones tengamos la tensión del diodo, para ello realizaremos un barrido de continua DC Sweep sobre la tensión de la fuente de alimentación, V1, variando ésta entre -5 y 5 voltios, con un incremento de 0.1V. Una vez definido el tipo de simulación y simulado el circuito se pide: (a) Represente la curva característica del diodo. Para ello debe representar la corriente del diodo I D en función de la tensión del diodo V D. Por defecto en el eje x aparecen los valores de tensión de la fuente V1, para que tengamos los valores de tensión del diodo es necesario realizar un cambio de variable en el eje. (b) A partir de la gráfica obtenida en el apartado anterior, obtenga el valor de la tensión de codo del diodo (V ) y de la resistencia del diodo en directa (R f ). 2

4 1.2 Curva característica I-V del diodo zener El objetivo de este apartado es obtener la curva de funcionamiento del diodo zener. Considere para ello el circuito de la figura 2. Figura 2. Circuito con diodo zener Realice un barrido de tensión de continua DC Sweep sobre la tensión de alimentación del circuito, V1. La variación de tensión en este caso se impondrá entre -10 y 5 voltios con un incremento de 0.1V. a) Represente la curva característica I-V del diodo zener. Obtenga los valores de la tensión de codo (V) la resistencia del diodo en directa (R f ), la tensión zener (V z ) y la resistencia equivalente del diodo en la zona zener (R z ). b) Repita el apartado anterior para una temperatura de simulación de 90ºC. Comente las posibles diferencias de los resultados. 3

5 1.3 Análisis de circuitos con diodos Una vez vistas las curvas de funcionamiento de los diodos pasamos a analizar el comportamiento de los mismos como componentes de un circuito. Una de las principales ventajas que nos aporta la simulación de circuitos con diodos es que no es necesario utilizar ninguna de las aproximaciones (diodo ideal, modelo de la tensión de codo ) que sí que tenemos que utilizar al resolver los circuitos de forma teórica. El simulador nos permite obtener la tensión e intensidad en cada uno de los componentes del circuito de forma rápida y exacta. Ejercicio 1: Considere el circuito de la figura 3, formado, entre otros componentes, por dos diodos. R4 20k + R5 R6 6k 6k 5V V1 D2 D3 V0 12V 10V - 0 Figura 3. Circuito con dos diodos El objetivo del presente ejercicio es representar la función de transferencia del circuito, es decir, representar la tensión de salida V 0 en función de la tensión de entrada V 1. Para ello, realice un barrido de continua de la tensión de entrada entre -30 y 30V con un incremento de 0.1V y represente la tensión de salida. A la vista de los resultados determine: a) Los tramos en los que se puede dividir la función de transferencia b) El estado de cada uno de los diodos (ON/OFF) en cada uno de los tramos del apartado anterior. Para determinar el estado de los diodos se sugiere representar en otra ventana la corriente de cada diodo en función de la tensión de entrada. Suponga que la tensión de la fuente de entrada es de 25V. Obtenga los valores de la tensión y de la intensidad en cada uno de los diodos. Sustituya la fuente de continua de entrada, V 1, por una fuente senoidal de 25V de amplitud y frecuencia 50Hz. Represente la tensión de salida V 0. Represente igualmente la intensidad en cada uno de los diodos. Comente las formas de onda obtenidas. 4

6 2. El diodo en alterna. Aplicaciones 2.1 El convertidor de corriente AC/DC En este apartado veremos una de las aplicaciones más típicas de los diodos, implementando un circuito rectificador como parte de un convertidor de tensión alterna en continua. Evaluaremos los dos tipos de rectificadores que se pueden implementar, de media onda y de onda completa, el circuito de filtrado y el subsistema de estabilización de la tensión de salida mediante un diodo zener Circuito rectificador de media onda Considere el circuito de la figura 5, donde tenemos como señal de entrada una senoidal de 15V de amplitud y frecuencia 50Hz (esta sería la salida del transformador, que no lo tendremos en cuenta). La resistencia de carga del circuito es de 500". D1 VOFF = 0 VAMPL = 15 FREQ = 50 V1 R1 500 Figura 5. Circuito rectificador de media onda. Dibuje y simule el circuito, estableciendo el tiempo de simulación suficiente para que se vean al menos cinco periodos de la señal de entrada. Represente en la misma gráfica la tensión de entrada y la de salida (tensión en bornes de la resistencia de carga). A la vista de los resultados conteste las siguientes preguntas. Son iguales en magnitud ambas variables en los puntos donde el diodo está en ON? A qué es debida esta diferencia? 0 5

7 2.1.2 Circuito rectificador con filtro capacitivo El siguiente paso en el diseño del convertidor de tensión es realizar un filtrado paso bajo a la salida del rectificador. En esta práctica nos basaremos en el rectificador de media onda, quedando propuesto para realización por parte de los alumnos el convertidor con rectificador de onda completa. El convertidor con filtro capacitivo se muestra en la figura 7. Figura 7. Circuito rectificador con filtro capacitivo Dibuje el circuito en el esquemático de PSPICE y simúlelo, ajustando de nuevo el tiempo de simulación para que se vean cinco periodos de la señal de entrada. Se pide: (a) Represente la señal de entrada y salida. Calcule gráficamente el rizado de la tensión de salida (#V 0 ). Obtener el valor medio de la tensión de salida, V 0M. (b) Represente la corriente que atraviesa el diodo. Calcule la potencia que consume el diodo en los picos de trabajo. Cómo podríamos limitar la corriente que pasa por el diodo? (c) Cambie el condensador por uno de 10µF. Represente la señal de entrada y salida y la corriente que circula por el diodo. Comente los resultados obtenidos. 6

8 2.1.3 Estabilización de tensión con diodo zener El último subsistema del convertidor AC/DC se encarga de estabilizar la tensión de salida, minimizando, o incluso eliminando, el rizado que se produce a la salida de la etapa de filtrado. La forma más sencilla de realizar esta estabilización es mediante un diodo zener trabajando en la zona zener. Considere el circuito convertidor mostrado en la figura 8. D1 R1 470 VOFF = 0 VAMPL = 10 FREQ = 50 V3 C1 100u DZ D1N750 RL 1.2k 0 Figura 8. Circuito estabilizador con diodo zener. Dibuje en el esquemático el circuito convertidor y ajuste el tiempo de simulación para mostrar cinco periodos de la señal de entrada. Simule el circuito, representando la tensión de entrada y de salida en la misma gráfica para una resistencia de carga de valor R L = 1.2k" Justifique los resultados. 7

9 2.2 Circuitos recortadores Otra de las aplicaciones más típicas de los diodos son los circuitos recortadores de señal. Considere el circuito de la figura 9, donde se muestra una configuración típica de un circuito recortador paralelo polarizado de dos diodos. Para este circuito se pide: a) Obtenga la función de transferencia del circuito, es decir obtenga V 0 vs V i. b) Determine el estado de cada diodo (ON/OFF) en función de los valores de la tensión de entrada. c) Substituya la señal de entrada por una señal triangular de 10V de amplitud y una frecuencia de 100Hz (ajuste adecuadamente los parámetros de la fuente VPULSE para obtener esta señal triangular). Represente la tensión de salida y la corriente que circula por cada uno de los diodos. Justifique los resultados. d) Repita el apartado c), pero en este caso con una señal triangular de 10MHz de frecuencia. Comente las posibles diferencias respecto a los resultados del apartado anterior e indique a qué son debidas. R1 1k + D1 D2 Vi +- 5 V2 3 V3 Vo - 0 Figura 9. Circuito recortador paralelo polarizado. 8