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COMENTARIOS SOBRE LA PRÁCTICA Nº 2
CARACTERISTICAS DE LOS DIODOS RECTIFICADORES CIRCUITOS RECTIFICADORES DE MEDIA ONDA
* Familiarizar al estudiante con el uso de los manuales de los fabricantes de diodos para entender y manejar sus especificaciones.
* Familiarizar al estudiante con la visualización de las curvas características de dichos dispositivos utilizando el osciloscopio en la modalidad X-Y.
* Realizar un análisis detallado del rectificador de media onda con y sin filtro capacitivo.
* Realizar un análisis del rectificador de precisión.
Adicional: Realizar la simulación en MULTISIM del circuito para observar la característica corriente-voltaje del diodo utilizando el osciloscopio virtual.
CIRCUITOSPARALAPRÁCTICANº2
CARACTERÍSTICACORRIENTEVOLTAJEDELDIODORECTIFICADOR.
CircuitoR=510Ω0,5W
Diodo1N4004onúmerosuperior.
Generador:Ondasinusoidalo triangularde 1kHz, 8Vpico. Puede ajustarse paramejorarlaimagen.
Realice lasimulaciónenMULTISIMparaobservar en la pantalla del osciloscopiovirtual la característica corriente-voltajedeldiodo.
Mediciones Semidenelvoltajedeldiodocuandoempiezaaconducirylaresistenciadinámicard,paralocualsedeterminalapendientedelaformadeondaenpantalla,seleccionandounrangodevoltajeymidiendoenformaindirectaelcorrespondienterangodecorriente(medianteladeterminacióndelacorrientesobrelaresistenciaR).Se colocan las escalas del osciloscopiopara tener lamejor resoluciónposible.
RECTIFICADORDEMEDIAONDASINFILTROCAPACITIVOCircuitoVoltaje a la entrada del rectificador:15Vrmsprovenientesdelsecundariodel transformador o 15 VrmsdirectamentedelVariac.Lafrecuenciaes60Hz.Diodo1N4004onúmerosuperiorR=470Ω;2WATENCIÓN:PARAÉSTEYTODOSLOSDEMÁSEXPERIMENTOSCONVARIAC,SUBIRYBAJARELVOLTAJEDELVARIACLENTAMENTE
Mediciones*Forma de onda del voltaje deentrada (secundario deltransformador o variac) y elvoltajeenlacarga.* Forma de onda del voltaje deentradajuntoconelvoltajeeneldiodo.*Formadeondadelvoltajeeneldiodojuntoconlacorrienteeneldiodo (observe que la corriente por el diodo es lamisma que circulaporlacarga).*Voltajepicoyvoltajermsenlaentrada.*Voltajepicoyvoltajermsenlacarga.*Voltajeycorrientepicoeneldiodo.*Tiempodeconduccióndeldiodo.
RECTIFICADORDEMEDIAONDACONFILTROCAPACITIVOVoltaje a la entrada delrectificador: 15 Vrmsprovenientes del secundario deltransformador o 15 VrmsdirectamentedelVariac.Lafrecuenciaes60Hz.Diodo1N4004onúmerosuperiorR=470Ω;2WC=470µFResistenciaparamedircorrienteeneldiodo:10Ω
Mediciones*Formadeondadelvoltajede entrada (secundario deltransformador o variac) yelvoltajeenlacarga.*Formadeondadelvoltajede entrada junto con lacorrienteeneldiodo.*Formadeondadelvoltajeen el diodo junto con lacorriente en el diodo(colocarunaresistenciadepocosohmiosenserieconeldiodo).*Voltajepicoyvoltajermsenlaentrada.*Voltajepicoyvoltajermsenlacarga.*Voltajeycorrientepicoeneldiodo.*Tiempodeconduccióndeldiodo.
RECTIFICADORDEMEDIAONDADEPRECISIÓN:SUPERDIODO
Sevanamontarsimultáneamenteenel protoboard el superdiodo y elrectificador demedia onda sin filtro.Se va a conectar una resistencia decarga R de 1kΩ a la salida delamplificadoroperacional.
Operacional741
Diodo1N4004onúmerosuperior(2)
R1=R2=R=1kΩ(senecesitancuatroresistenciasentotal)
LosvoltajesViproducidosporelgeneradorde funciones según valores indicados en laguía se van a aplicar simultáneamente alsuperdiodoyalrectificadordemediaonda.
Mediciones
*Formas de onda del voltaje de entrada y salida de ambos circuitosparalosdistintosvaloresindicadosenlaguía.* Voltaje pico en la salida, voltaje pico en el diodo y tiempo deconducción del diodo en el superdiodo para los distintos valoresindicadosenlaguía.
ELTRANSISTORBIPOLAR
Eltransistorbipolar(BJTBipolarJunctionTransistor)fuedesarrolladoenlosLaboratoriosBellThelephoneen1948.ElnombreBipolarvienedequeen losprocesosde conducción intervienen tantohuecos comoelectrones.Suinvenciónmarcólaeradetodoeldesarrollotecnológicoeinformáticoquetenemoshoydía.
Durante tresdécadas fue el dispositivoutilizadoen todos losdiseñosde circuitos discretos o integrados. En los 70 y 80 apareció uncompetidormuyfuerte:EltransistordeJuntura,quedioorigenaotroscomponentes,losMOSFETs.ActualmentelatecnologíaCMOSeslamásutilizada en los diseños de circuitos integrados. Pero el BJT se sigueusando en aplicaciones específicas, entre ellas circuitos de muy altafrecuencia.
Unodelosdispositivosmásutilizadosenlossistemasdeelectrónicadepotencia es el IGBT, que combina las características de entrada de inMOSFETconlasdesalidadeunBJT.
MODOSDEOPERACIÓN
Lostransistorestienendosjunturaspn:LaEmisor-Base(EB)ylaColector-Base(CB).Segúnlapolarizacióndelasjunturas,presentancuatromodosdeoperación.
MODO JunturaEB JunturaCBCortado Reversa ReversaActivo Directa ReversaSaturado Directa DirectaActivoinverso Reversa Directa
Enelmodoactivoeltransistoroperacomoamplificador.LosmodosCortadoySaturadoseusanenlasaplicacionesdondelosdispositivostienenqueconmutarentredosestados(circuitoslógicos)Elmodoactivoinversotieneaplicacionesmuylimitadas.
OPERACIÓNDELTRANSISTORNPNENELMODOACTIVO
*Se tienen que polarizar las junturas como indican las baterías. Lafuente VBE polariza en directo la juntura Emisor-Base. La fuente VCBpolarizaeninversolajunturaColector-Base.*Enelanálisissevanaconsiderarsolamentelascorrientesdedifusión.El emisor estámuchomas dopado que la base ymas dopado que elcolector.
*La corriente de Emisor a Base tiene dos componentes: Un flujo deelectronesdeEaByunflujodehuecosdemenormagnituddeBaE.*LacorrienteiEtienedirecciónpositivasaliendodelEmisor*En labase los electrones se conviertenenportadoresminoritariosyalgunos se recombinan mientras que otros son arrastrados hacia elColector.*LacorrientedeBasealimentael flujodehuecosquevade laBasealEmisor y los portadores que intervienen en la recombinación en labase.Esporlotantounmovimientodehuecos.*LacorrienteiBtienedirecciónpositivaentrandoenlaBase.*LacorrientedeColectorestáformadaporloselectronesquepasaronlajunturaColector-Base.*LacorrienteiCtienedirecciónpositivaentrandoenelColector.*DeacuerdoconlasLeyesdeKirchhoff:
iE=iC+iB
OPERACIÓNDELTRANSISTORPNPENELMODOACTIVO
EnambostiposdetransistoreslacorrientedeColectoresindependientedelvoltajeVCB.EstacorrienteesunafraccióndelacorrientedeEmisor,queestácontroladaporelvoltajeVEB.El colector se comporta como una fuente de corriente controlada porvoltaje.
PARÁMETROSBÁSICOSDELTRANSISTORBJT
ComolajunturaEBestápolarizadaendirecto,lacorrienteIEestádadaporlaecuacióndeldiodo
n=1paratransistores
AlColectorllegaprácticamentetodalacorrientedelEmisor.Serelacionanmedianteunparámetrodenominadoα . α :GananciadecorrientedeBaseComún. LacorrientedeBaseesaproximadamente1%lacorrientedeEmisor.DelanálisismatemáticosepuedeconcluirquelacorrientedeBaseyladeColectorestánrelacionadasporunparámetroidentificadocomoβ.
β : GananciadecorrientedeEmisorComún
Losparámetrosα yβ dependendelascaracterísticasdelosdispositivos
€
iE = IES evBE VT −1⎛
⎝ ⎜ ⎞
⎠ ⎟
€
iE = IESevBE VT
€
β =iCiB
€
iC = βiB
€
α =iCiE
€
iC =αiE
RELACIÓNENTRELOSPARÁMETROSBÁSICOSDELBJTLosvaloresdeαyβdependendelascaracterísticasdeldispositivo.Valorestípicosparaβ:100,200,400 Entodotransistor
Paraβ=100α=0,99.Pequeñasvariacionesenαproducengrandescambiosenβ.
€
iE = iC + iB
€
iE = iC +iCβ
=β +1β
iC
€
iC =ββ +1
iE =αiE
€
α =ββ +1
€
β =α1−α
MODELOEQUIVALENTEDEGRANSEÑALENLAREGIÓNACTIVABASECOMÚN
Conestemodeloeltransistorsevaausarcomounareddedospuertos,conelpuertodeentradaentreByEyelpuertodesalidaentreCyB.Deahíque:α :GananciadecorrientedeBaseComún
LacorrienteporelColectortambiénpuedeexpresarsecomo
€
iC = ISevBE VT
MODELOEQUIVALENTEDEGRANSEÑALENLAREGIÓNACTIVAEMISORCOMÚN
Conestemodeloeltransistorsevaausarcomounareddedospuertos,conelpuertodeentradaentreByEyelpuertodesalidaentreCyE.Deahíque:β:GananciadecorrientedeEmisorComún
CURVASCARACTERÍSTICASDEUNBJTTIPONPNCARACTERISTICASDEENTRADABASE-EMISOR
EnestascaracterísticasseobservaelefectoquetieneelaumentodelvoltajeVCE.CuandoVCEaumenta,crecelazonadecargaespacialdelajunturaBCpolarizadaeninverso.Labasesereduce
ELEFECTOEARLYLas curvas características para cada valor de voltaje Base-Emisor ocadavalordecorrientedeBasenosonplanas.Extrapolandotodaslascurvascorrespondientesalaregiónactivahacialos valores negativos de VCE se obtiene que todas ellas intersectan elmismovoltaje-VA,denominadovoltajedeEarly.Lapendientedeestascurvas,1/rO,estádadaporlarelación:
LaresistenciarO,noafectalapolarizacióndelostransistores,perosíloscálculosdegananciacuandolosBJTactúancomoamplificadores.€
ro =δiCδvCE vBE =cons tan te
⎛
⎝
⎜ ⎜
⎞
⎠
⎟ ⎟
−1
=VA
IC
REGIÓNDESATURACIÓN
*Eltransistorentraenlaregióndesaturacióncuandosecumpleque
*ElvalordeICsatestádadoporlosvaloresdeloscomponentesdelcircuito:Máximacorrientequepuedecircularporeltransistor.*Lascurvascaracterísticascaenhaciaceroconunapendientemuchomayorquelaquetienenenlaregiónactiva.*EnelpuntoXlacorrienteesICsatyelvalordeICsatestáenelordende0,1a0,3Vparaelejemplo.
€
ICsat < βIB
MODELODELTRANSISTORENLAREGIÓNDESATURACIÓNLascurvascaracterísticasenlaregióndesaturacióntienenunapendientepronunciada.
POLARIZACIÓNBÁSICADETRANSISTORES:ACTIVO
VBE=0,7Vβ =100 Suponemosqueestáenlaregiónactiva
JunturaCBpolarizadaeninverso,porlotantoestáactivo.
€
VBE =VB −VE = 0,7V
€
VE = 4V − 0,7V = 3,3V
€
IE =3,3V3,3kΩ
=1mA
€
α =ββ +1
=100100+1
= 0,99
€
IC =αIE = 0,99x1mA = 0,99mA
€
VC =10V − 4,7kΩx0,99mA = 5,34V
€
IB =ICβ
= 0,01mA
€
VCB = 5,34V − 4V =1,34V
POLARIZACIÓNDETRANSISTORES:SATURADO
VBE=0,7Vβ =100 Suponemosqueestáenlaregiónactiva
JunturaCBpolarizadaendirecto,porlotantonoestáactivoHayqueconsiderarqueeltransistorseencuentraenlaregióndesaturaciónyporlotantoVCE=0,2V
€
VBE =VB −VE = 0,7V
€
VE = 6V − 0,7V = 5,3V
€
IE =5,3V3,3kΩ
=1,6mA
€
IC =αIE = 0,99x1,6mA =1,58mA
€
VC =10V − 4,7kΩx1,58mA = 2,57V
€
VCB = 2,57V − 6V = −3,43V
Conestosvalores,βΙΒ = 100x0,64mA=64mA βΙΒ >>ICsatporlotantoeltransistorestásaturado
€
VBE =VB −VE = 0,7V
€
VE = 6V − 0,7V = 5,3V
€
IE =5,3V3,3kΩ
=1,6mA
€
VC =VE +VCE max = 5,3V + 0,2V = 5,5V
€
IC =10V − 5,5V4,7kΩ
= 0,96mA
€
IB = IE − IC =1,6mA− 0,96mA = 0,64mA
POLARIZACIÓNDETRANSISTORES:ENCORTE
Sinohaycorrientedecolector,VE=0porlotantoVBE=0.SihubieracorrientedecolectorVCtendríaunvoltajepositivo,porlotantoVBE=0.Encualquiercasoeltransistorestáenlazonadecorte.Porlotantotodaslascorrientessonigualacero.Elvoltajedecolectores10Vyeldeemisor0V.EnestecasoelvoltajeVCEesigualaldelafuente.