INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA Práctica. 1.0.0. DIODOS Y TRANSISTORES. Caracterización de el diodo. Cliente: Ingeniería Electrónica. Autor: Ing. Miguel.Angel Mendoza Mendoza. 26 de Agosto del 2015 Practica: 1.0.0
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA RESUMEN DE LA PRÁCTICA. Objetivo La caracterización de instrumentos y dispositivos es una de las tareas mas básicas en la ingeniería de cualquier proceso o el control del mismo, por ende en su automatización y prueba de nuevos productos, el objetivo de esta práctica es poner en practica las habilidades del estudiante de ingeniería en el laboratorio a fin de que caracterice el comportamiento de dispositivos semiconductores comerciales simples. Metas. El estudiante de ingeniería confrontara la caracterización de un dispositivo semiconductor de manera practica a fin de comparar sus resultados con los datos proporcionados por los fabricantes. El estudiante corroborara el comportamiento de los diodos semiconductores bajo distintas condiciones de trabajo. Se comprobara de manera práctica la necesidad de caracterizar los semiconductores. Se generalizara una metodología estadística que permitirá al estudiante evaluar cualquier tipo de semiconductor utilizado en sus diseños posteriores como ingeniero. Solución La práctica incluirá dos sesiones: en la primera sesión se caracterizaran los diodos de propósito general en polarización directa e inversa, y en la segunda se repetirá la tarea para todos los otros tipos de diodos semiconductores. Esquema de trabajo de la práctica Antes de realizar cualquier actividad, tener presente la lista de tareas sugeridas que a continuación se lista. 1. Revision de la información proporcionada por el fabricante. 2. Preparación de las herramientas de registro para los datos obtenidos (hojas de calculo). 3. Acondicionamiento de los instrumentos y herramientas necesarias para emprender la caracterización. 4. Caracterización de los valores necesarios bajo cambios en la o las variables a controlar, considerando las condiciones de caracterización y el estado de los semiconductores. 5. Caracterización de los semiconductores como parte del proceso de interés o del circuito de aplicación necesario.
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. Antes de comenzar la practica deberán presentarse todos los materiales listados en la sección Materiales de la practica, de ser solicitados los cálculos previos al laboratorio y las hojas de datos proporcionas por el fabricante sin falta, de lo contrario no sera permitido al estudiante el uso del laboratorio. SESIÓN 1. LISTA DE TAREAS. La primera session consiste en: 1. Caracterización de la curva de voltaje contra corriente del diodo de propósito general. 2. Caracterización en frecuencia del diodo de propósito general. 3. Caracterización térmica del diodo. 4. Caracterización del diodo como recortador. Para la sesión 1 se utilizara un diodo de propósito general (Recomendación: 1n4001-1n4007) para obtener las curvas características del diodo semiconductor como se explica en el siguiente punto. Medición de la característica IV de un diodo. Para la medición de la curva del diodo (I - V), se tendrá que armar el circuito que se muestra en la Figura 1. utilizando una resistencia (de alrededor de 47 a 1 KΩ) en serie con el diodo en una tablilla de prototipado de circuitos. El propósito de la resistencia es limitar la corriente extraída de la fuente de alimentación y por lo tanto mantener la potencia en los niveles de funcionamiento del diodo. Figura 1. Diodo en polarización directa. Asegúrese de que usted sabe en qué dirección la corriente fluirá a través del diodo.tenga en cuenta que un diodo de Si tiene un desvío de la tensión de aproximadamente 0,7 V, mientras que uno de Ge se enciende a
aproximadamente 0,3 V. Por lo tanto, la polarización directa aplicado debe ser mayor que esto para ver la característica del diodo. Una gama de alrededor de -4 V a 4 V es sugerida para obtener la curva. Registre sus resultados y los errores estimados en su libro de laboratorio o directamente en su hoja de cálculo. El número mínimo de mediciones sera discutido en el laboratorio por el instructor. Los resultados deberán tener semejanza con los que se muestran en la Figura 2. Figura 2. Curva de voltaje contra corriente del diodo general. Medición de la característica en frecuencia (ancho de banda) de un diodo. Para la segunda tarea arme el circuito que se muestra en la Figura 3, haciendo uso de una fuente de voltaje senoidal con capacidades de variación de frecuencia. Realice mediciones del voltaje de alimentación y el voltaje de salida Vo simultáneamente. Realice un barrido de frecuencias desde los 10 Hz hasta los 100 KHz o mas de ser posible. Termine las mediciones cuando el diodo en prueba deje de cumplir con su propósito o se alcance un 70% de la señal de entrada. Figura 3. Circuito de caracterización del diodo en frecuencia.
Caracterización térmica del diodo. Utilizando el circuito de la Figura 3 y el mismo pero alimentado de una fuente de corriente directa, repita los dos procedimientos anteriores para un número de condiciones ya registradas mientras varia la temperatura ambiental a la que opera el semiconductor utilizando una fuente de calor. El número de mediciones puede ser menor pero significativo, de tal manera que sea posible realizar conclusiones sin duda razonable. Decida si el diodo en cuestión es de coeficiente positivo o negativo a la temperatura. Caracterización del diodo como recortador. Arme el circuito que se muestra en la Figura 4, para diferentes valores del voltaje Vr utilizando una señal Vi fija. Repita el proceso para por lo menos 4 niveles de la señal Vi, realizando modificaciones a la temperatura de operación del semiconductor. Procure probar los limites de operación del semiconductor de acuerdo con los datos proporcionados por el fabricante. Figura 4. Circuito recortador de señal. Repita el procedimiento anterior para el circuito de la Figura 5. Figura 5. Circuito recortador de señal. (Version 2)
SESIÓN 2. LISTA DE TAREAS. La segunda session consiste en: 5. Caracterización del diodo como rectificador de media onda. 6. Caracterización del diodo como rectificador de onda completa. 7. Caracterización de la curva de voltaje contra corriente del diodo zener, avalancha o de recuperación rápida y del diodo emisor de luz en tres diferentes colores. 8. Caracterización en frecuencia del diodo zener, avalancha o de recuperación rápida y del diodo emisor de luz en tres diferentes colores. 9. Caracterización térmica del diodo zener, avalancha o de recuperación rápida y del diodo emisor de luz en tres diferentes colores. 10. Caracterización de algunos circuitos de aplicación aprendidos en clase. Para la sesión 2 se utilizaran distintos tipos de diodos para repetir los tres primeros pasos de la sección 1 y se caracterizaran algunos de los circuitos de aplicación aprendidos en clase. Caracterización del diodo como rectificador de media onda y onda completa. Arme el circuito que se muestra en la Figura 6, el rectificador de media onda es el circuito de la Figura 3, recapacite si se han realizado mediciones suficiente para conocer el funcionamiento de dicho circuito a plenitud. Caracterice el circuito de la Figura 6, realizando un barrido de frecuencias y voltajes para el número de datos que el instructor indique realizando mediciones de voltaje y corriente en la resistencia de carga, y el voltaje y corriente de entrada. Posteriormente, siguiendo las instrucciones del profesor se realizaran mediciones en el diodo D1 y D4 respectivamente. Espere las instrucciones del profesor antes de realizar las mediciones en los diodos, procurando por seguridad que estas siempre sean llevadas acabo de manera diferencial.
Figura 6. Diodo rectificador de onda completa. Caracterización del diodo otros tipos de diodos. La terminar esta práctica repita los tres primeros puntos de la sección 1 utilizando los tipos de diodos que se listan: Diodo zener. Diodo Shockley, de recuperación rápida o avalancha. LED. De ser posible prueba los 5 tipos de diodos listados, de lo contrario 3 de ellos son aceptables. Los circuito de aplicación de estos diodos serán probados en una posible tercera sesión en función del progreso obtenido en las dos primeras. LISTA DE HERRAMIENTAS Y MATERIALES. Herramientas. Elemento Cantidad Descripción Multimetro. 1 Elemento con termopar propio incluido para comparaciones, capacidad de medición en micro volts preferentemente. Osciloscopio 1 Elemento de visualización de señales eléctricas. Generador de señal 1 Elemento generador de señal controlable. Calefactor 1 Cualquier tipo de elemento calefactor controlable o estable en su temperatura. Protoboard 1 Elemento de prototipado. Cables y elementos de conexión. Los necesarios Todos los elementos que el estudiante considere de utilidad para el armado de los circuitos solicitados por la práctica.
El osciloscopio deberá ser tratado con el debido cuidado, al solicitarlo en caseta obtenga dos puntas de señal y sus respectivos cables de alimentación. De ser posible se recomienda al estudiante llevar a la practica su propio multimetro para hacer uso de dos de estas herramientas simultáneamente para así, acelerar los procedimientos solicitados. Materiales. Elemento Cantidad Descripción Diodo rectificador de la serie 1n400x o semilar 4-6 Diodo semiconductor de proposito general. Diodos zener 3 Tres diodos zener de 3 diferentes voltajes zener. Diodos de alta velocidad 3 Diodo Shockley, de recuperación rápida o avalancha. De ser posible conseguir los todos, cualquier matricula con su respectiva hoja de datos. LED 3-5 Tres diodos de tres diferentes colores estándar, de ser posible conseguir uno de color exótico y uno ultrabrillante. Resistencias Las necesarias Resistencias de entre 47 ohms y 10 kilo ohms Para ubicar las resistencias especificas consultar los circuitos de las figuras de este documento. Los diodos pueden ser de cualquier matricula siempre y cuando sea posible obtener los datos de fabricante. Es recomendable conseguir mas elementos que la cantidad que se lista en caso de cualquier daño que los mismos puedan recibir.
REPORTE DE PRÁCTICA. El reporte de la practica debe incluir las secciones comunes de todo reporte de laboratorio y por lo menos los siguientes aspectos. A. Tablas y gráfica comparativas de comportamiento observado de cada semiconductor caracterizado contra los datos proporcionados por su fabricante. Las tablas deberán indicar metódicamente las condiciones de prueba y el procedimiento seguido para obtener los datos. B. Circuitos y cálculos teóricos correspondientes para cada caso. Junto a una explicación detallada del funcionamiento del circuito. C. Cálculos estadísticos del porcentaje de error y discrepancia observado. D. Análisis de los cuantitativo de los resultados y todos los puntos de interés de la práctica. E. Conclusiones individuales de cada miembro participante del equipo que la desarrollo. F. Bibliografía de los contenidos consultados y las fuentes citadas. G. Marco teórico enfocado a la justificación de los fenómenos observados.