UNIVERSIDAD ABIERTA INTERAMERICANA Facultad de Tecnología Informática

Transcripción

1 PORTAFOLIO PERSONAL Resolución de Problemas: se seleccionarán un conjunto de ejercicios particulares, algunos de ellos incluidos en las guías de problemas de la cursada, con el fin de representar, analizar y justificar los conceptos estudiados. Los mismos serán seleccionados de acuerdo al grado de representatividad con respecto a los temas dados en clase. DIODOS: EJERCICIOS PROPUESTOS Temas involucrados: La unión p-n. Estructura y características. Diodos. Polarización Directa e Inversa. Curvas características. Capacidad asociada a la unión p-n. Aplicaciones. Circuitos rectificadores. Puertas lógicas. Diodos Zener. Aplicaciones. Circuitos estabilizadores. Lógica de diodos (DL) ANALISIS DEL DIODO EN CORRIENTE CONTINUA EJERCICIO 1: Introducción: A continuación se realiza un ejemplo simple en el cual se pretende observar el funcionamiento de un diodo, con corriente continua, tanto en Polarización Directa como en Polarización Inversa. Evidenciar el funcionamiento básico de un diodo. Identificar y entender los tipos de polaridad: Directa e Indirecta. Hallar las corrientes y tensiones sobre el circuito. Elementos: Fuente continua: 10 V Resistencia: 2,2 KΩ Diodo de Silicio Página 1 de 15

2 POLARIZACION DIRECTA Como hemos visto, en la polarización directa, el positivo de la fuente se conecta al bloque P (Ánodo Representado con la letra A) y el negativo al N (Cátodo Representado con la letra K). Si la tensión aplicada supera la barrera de potencial o tensión umbral del diodo (~0,65 V para el Silicio) el diodo conduce la corriente. A continuación se comprobará dicha afirmación en base a unos pocos pasos. 1) Identificamos el sentido de la corriente 2) Asumimos que se produce una caída de tensión en los extremos del diodo de 0,7V por tratarse del Silicio. 3) Aplicando la 2 Ley de Kirchhoff para la malla, y considerando el punto anterior, podemos identificar la Intensidad de Corriente Total del circuito. 10 V - I. 2,2 KΩ -0,7 V = 0 Armo la malla 9,3 V - I. 2,2 KΩ = 0 Sumo las Tensiones I = 9,3 V/ 2,2 KΩ Despejo I y realizo la operación IT = 4,22 ma Obtengo el resultado POLARIZACION INVERSA En la polarización inversa, por su lado, el negativo de la fuente se conecta al bloque P y el positivo al N. En esta situación el diodo se opone al paso de la corriente eléctrica. Esquema del circuito: Como podemos observar el diodo cambia su posición, quedando el Cátodo en el lado más próximo a la fuente y el Ánodo del lado más lejano. En estas condiciones, el diodo no permite la conducción de corriente a través del componente, comportándose como un circuito abierto. Esto arroja como resultado que la malla se encuentre abierta, por tanto no existe circulación de corriente por ella (It=0) y el voltaje en los extremos de la resistencia es 0. Gráficamente podría representarse de la siguiente forma: Página 2 de 15

3 EJERCICIO 2: Introducción: El siguiente ejemplo se encuentra vinculado con el ejercicio anterior, ya que pretende reflejar los mismos como se comporta el circuito en Polarización Directa. Polaridad Directa: comportamiento del diodo. Hallar las corrientes y caídas de tensión sobre el circuito. Aplicar: Leyes de Kirchhoff y Ley de Ohm Elementos: Fuente continua: 10 V Resistencias: 3 resistencias de 1KΩ 2 Diodos de Silicio Página 3 de 15

4 RESOLUCION 1) Lo primero que debemos hacer es armar un circuito equivalente que sea más fácil de visualizar. 2) Asumimos que se produce una caída de tensión en los extremos de cada uno de los diodos de 0,7V por tratarse del Silicio. V1 = 0,7V + 0,7V V1 = 1,4V 3) Aplicamos la Ley de mallas de Kirchhoff y la ley de Ohm para calcular las corrientes Malla 1: Intensidad Total = It 10V - It. 1KΩ - 0,7V - 0,7V = 0 8,6V - It. 1KΩ = 0 It = 8,6V/1KΩ Página 4 de 15

5 It = 8,6mA Malla 2: Debido a que conocemos la caída de tensión en esa parte del circuito, aplicando la Ley de Ohm podemos calcular I2. I2= Vd/R2 = 1,4V/1KΩ= 1,4 ma Por otro lado, dado que It = I1 + I2: 8,6mA = I1 + 1,4mA I1 = 8,6mA 1,4mA I1 = 7,2mA Comparación con los resultados del simulador Página 5 de 15

6 EJERCICIO 3: Hallar las corrientes y caídas de tensión sobre el circuito. Utilización del simulador. Elementos: Fuente continua: 12 V Resistencias: 3 resistencias de 1KΩ 1 Diodo de Silicio RESOLUCION Cálculos: Calculo primero la intensidad de la primer malla que pasa por R1. Página 6 de 15

7 Sabiendo que tengo una tensión de 12V y una resistencia de 1KΩ obtengo la intensidad de corriente. I1= 12V/1KΩ = 12 ma Luego, en la malla 2, con R2 = 1KΩ, asumo que se produce una caída de voltaje en el diodo de Silicio de 0.7V. Por lo que aplicando Kirchhoff puedo calcular la intensidad en el circuito seleccionado. 12V I. 1KΩ - 0,7V = 0 11,3V I. 1KΩ = 0 I2 = 11,3V/1KΩ I2 = 11,3 ma Página 7 de 15

8 Finalmente, como conozco la intensidad que pasas por R3, se la resto a 11,3mA quedando 10,6 ma que son los que pasan por el diodo. En la última malla, faltaría calcular la tensión sobre la R3 y la intensidad de corriente en ese parte del circuito. I3 = 0,7V/1KΩ I3 = 0,7 ma Predicciones con el Simulador Electronic Workbench Podemos observar que los cálculos realizados se aproximan bastante a los resultados arrojados por el simulador. EJERCICIO 4: Estudiar la unión p-n. Observar la tensión sobre el diodo y la intensidad de corriente. Analizar comportamiento del circuito Elementos: Fuente continua Resistencias: 2 resistencias de 1 KΩ Diodo de Silicio Página 8 de 15

9 Resolución: Para analizar el circuito y observar el comportamiento de la corriente es necesario implementar las Leyes de Kirchhoff. Para ello debemos establecer el camino de dicha corriente y analizar las mallas (2 en total). Por otro lado, es necesario aclarar que, dado la configuración del circuito actual, los componentes se encuentran en paralelo, por lo que la tensión es la misma en cada una de las ramas. Empezaremos calculando la intensidad de corriente (I), aplicando la Ley de Ohm: I2= V/R It = 12V / 1KΩ = 12 ma Luego, analizaremos la parte restante del circuito. Como datos sabemos que la tensión de la fuente es de 12V y que el diodo de Silicio, polarizado en directa, en funcionamiento caerá 0,7V. Por lo tanto, la tensión que caerá en la resistencia será el resultado de la diferencia entre: Página 9 de 15

10 VR1 = Vf Vd = 12V 0,7V = 11,3 V Ahora que disponemos del valor de la tensión necesario podemos calcular la corriente I1. I1 = 11,3V/1KΩ = 11,3 ma Finalmente, disponemos del valor de corriente de cada una de las ramas. Para calcular It debemos sumar las mismas: It = I1 + I2 = 12 ma + 11,3 ma = 23,3 ma Verificación con el simulador: EJERCICIO 5: Estudiar la unión p-n. Observar la tensión sobre el diodo y completar la lectura de los instrumentos. Elementos: 2 Fuentes continuas Resistencias: 2 resistencias, una de 1 KΩ y otra de 2 KΩ 2 Diodos de Silicio Página 10 de 15

11 Resolución Para resolver el circuito aplicaremos las Leyes de Kirchhoff. Malla 1: 10V I3.1 KΩ - (0,7V + 0,7V 4V) = 0 10V I3.1 KΩ - 5,4V = 0 4,6V I3.1 KΩ = 0 I3 = 4,6mA Malla 2: 10V - (0,7V 4V) I1. (2KΩ + 1KΩ) = 0 10V - 4,7V I1. 3KΩ = 0 I1 = 5,3V / 3 KΩ I1 = 1,76mA I3 = I1 + I2 = 4,6mA 1,76mA = I2 = 2,84 ma TRANSISTORES Temas involucrados: Transistores. Estructura y características. Configuraciones: Emisor Común Conector Común Base Común. Regiones de trabajo. EJERCICIO 1: Estudiar el comportamiento de un transistor bipolar npn. Configuraciones Resolución: 1) En este caso el transistor es un BJT. Página 11 de 15

12 2) La configuración del transistor es EMISOR COMUN, debido a que ambas mallas comparten al emisor. 3) Identificar la región de trabajo del transistor, corte, saturación o bien en la región activa. Para ello separaremos el circuito en 2 subcircuitos. Los mismos pueden observarse a continuación. Una vez que han sido identificados, es posible plantear la ecuación de cada uno de ellos: 1) Vbb Ib.Rb Vd =0 2) Vcc Ic.Rc Vce, donde Vce es la tensión que cae en nuestro componente equivalente. Reemplazamos las variables con los datos que tenemos: 1) Primer subcircuito Vbb Ib.Rb Vd =0 4V Ib. 10KΩ - 0,7V=0 3,3V Ib. 10KΩ = 0 Ib = 3,3V/10 KΩ = 0,33mA Tras haber averiguado la corriente base (Ib) y utilizando la formula Ic=β*Ib, con un β=100 (Factor de ganancia de corriente), podemos decir que: Ic=100.0,33mA Ic=33mA. 2) Segundo subcircuito Vcc Ic.Rc Vce 30V 33mA.0,5KΩ - Vce = 0 Vce = 30V 16,5V Vce= 13,5V Vrc= 0,5KΩ.33mA = 16,5V Ya tenemos la corriente base y la corriente colector, solo nos falta calcular la corriente emisor. Sabiendo que las suma de las corrientes que circulan por las dos mayas, podemos decir que: Ie = Ic + Ib Ie = 33mA + 0,33mA Ie = 33,33mA Página 12 de 15

13 REGIONES DE TRABAJO: La siguiente tabla nos permite visualizar las diferentes zonas de trabajo de un transistor y las respuestas del mismo en las distintas regiones. VBB IB VRC VCE (Vbb Vbe)/Rb Rc.(100.Ib) Vcc Ic.Rc Vce <= 0, ,33 16,5 13,5 2 0,13 6,5 23,5 6 0,53 26,5 3,5 7 0,63 31,5 Icsat = 60mA Ic < 60mA Conclusiones de la tabla En la primera fila el transistor se encuentra en corte, en la segunda, tercera y cuarta en zona activa y en la última se encuentra saturado EJERCICIO 2: Estudiar el comportamiento de un transistor bipolar pnp. Configuraciones Resolución: 1) En este caso el transistor es un BJT. 2) La configuración del transistor es EMISOR COMUN, debido a que ambas mallas comparten al emisor. 3) Identificar la región de trabajo del transistor, corte, saturación o bien en la región activa. Página 13 de 15

14 Para ello separaremos el circuito en 2 subcircuitos. Los mismos pueden observarse a continuación. Una vez que han sido identificados, es posible plantear la ecuación de cada uno de ellos: 1) Vbb Ib.Rb Vd =0 2) Vcc Ic.Rc Vce, donde Vce es la tensión que cae en nuestro componente equivalente. Reemplazamos las variables con los datos que tenemos: 1) Primer subcircuito Vbb Ib.Rb Vd =0 4V Ib. 10KΩ - 0,7V=0 3,3V Ib. 10KΩ = 0 Ib = 3,3V/10 KΩ = 0,33mA Tras haber averiguado la corriente base (Ib) y utilizando la formula Ic=β*Ib, con un β=100 (Factor de ganancia de corriente), podemos decir que: Ic=100.0,33mA Ic=33mA. 2) Segundo subcircuito Vcc Ic.Rc Vce 30V 33mA.0,5KΩ - Vce = 0 Vce = 30V 16,5V Vce= 13,5V Vrc= 0,5KΩ.33mA = 16,5V Ya tenemos la corriente base y la corriente colector, solo nos falta calcular la corriente emisor. Sabiendo que las suma de las corrientes que circulan por las dos mayas, podemos decir que: Ie = Ic + Ib Ie = 33mA + 0,33mA Ie = 33,33mA Página 14 de 15

15 EJERCICIO 3: Calcular el valor de la resistencia Rc. ß=100 Resolución: Para ello separaremos el circuito en 2 subcircuitos y planteamos las formulas correspondientes. 1) Vbb Ie.Re Vbe =0 Reemplazamos las variables con los datos que tenemos: Vbb Ie.Re Vbe =0 2V Ie. 1KΩ - 0,7V=0 1,3V Ie. 1KΩ = 0 Ib =1,3V/1 KΩ = 1,3mA 2) Ic= Ib. ß Pese a que ß es dato, no tiene relevancia en los cálculos dado que no podemos calcular ni Ic ni Ib. Por ello aplicamos α. α = Ic/Ie Ic= α. Ie = ,3mA = 1,287mA Vcc Ic.Rc Vce = 0 12V 1,287mA.(Rc + 1 KΩ) 5,097V = 0 Rc + 1 KΩ = 6,903V/ 1,287mA Rc= 5,36 KΩ 1 KΩ = 4,36V Página 15 de 15