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CARACTERSTICAS Y CIRCUITOS CON DIODOS Y TRANSISTORES
1. Caractersticas de Polarizacin Directa e Inversa
Explique detalladamente el funcionamiento de un circuito en polarizacin directa e inversa.
Polarizacin Directa. La polarizacin directa se da cuando una tensin externa se opone a la barrera de potencial. Si la tensin aplicada es mayor que la barrera de potencial, el diodo est polarizado en directa y la corriente que fluye por el es grande, es decir, el diodo se comporta como cortocircuito, aunque presenta una resistencia interna muy baja.
En la prctica, se polariza directamente al diodo cuando se conecta el nodo (borne P) al terminal positivo de la fuente y el ctodo (borne N) al negativo.
Diodo polarizado directamente
Analizando el circuito a utilizar en laboratorio:
W
Si 1P se halla en la posicin superior se tiene:
W
W
-
2
][15
10002000152100020000
1000100015
1)(10)(115
mAI
IIIIII
II
kIIIkIIk
D
DD
DD
D
DD
D
=
-=
=-=-=
+-=-=
Si 1P se halla en la posicin media se tiene:
W
WW
][6
250015
5001500150015500500150015
350015001000)(5000
)(50050015
mAI
I
IIIIII
IIIIIII
III
D
D
DDD
DD
DD
DD
D
=
=
-+=-+=
==
+-=-+=
Si 1P se halla en la posicin inferior, se tiene:
WW
Ntese que toda la corriente circulara por el cortocircuito que separa las mallas.
Entonces: 0=DI
-
3 a) Mtodo Punto a Punto.
Con el circuito de la figura 1, se levantar la curva DI vs. DV caracterstica del diodo a utilizar (1N4007), haciendo nfasis en el voltaje de arranque, que por ser el diodo IN4007 un diodo de silicio, su voltaje de arranque estar en 7,06,0 gV .
Con a curva caracterstica del diodo, se calcularn los siguientes parmetros:
- Resistencia dinmica del diodo:
)/ln()()/ln()()ln()()/ln()(
23121223
23121223
IIIIIIIIIIVVIIVVrs ---
----=
- Voltaje de barrido de frecuencia:
IrVV sj -=
b) Mtodo de barrido de frecuencia
Sea el siguiente circuito:
Con el osciloscopio previamente calibrado, se introduce el voltaje sobre la resistencia al canal Y y el voltaje sobre el diodo al canal X. Se selecciona el modo X-Y y variando la frecuencia del generador se visualiza la curva caracterstica del diodo. Se debe tomar en cuenta que el canal Y est midiendo voltajes, as que es necesario dividir stos valores entre el valor de la resistencia R=1k[ W ], y de esta manera, se ha medido indirectamente la corriente que circula por el diodo.
Una vez obtenida la curva caracterstica del diodo, por cualquiera de los dos mtodos anteriormente expuestos, se puede calcular los parmetros bsicos del diodo, pero previamente se deber efectuar el mismo anlisis con la polarizacin inversa.
Polarizacin Inversa. La polarizacin inversa de un diodo se da cuando la tensin externa aplicada al diodo es menor negativa con respecto a la barrera de potencial que presenta el diodo. En polarizacin inversa, el diodo presenta una alta resistencia hmica, simulando de esta manera un circuito abierto.
En la prctica se polariza al diodo inversamente, cuando se conecta el nodo (borne P) al Terminal negativo de la fuente y el ctodo (borne N) al terminal positivo de la fuente.
-
4
Analizando el circuito a utilizar en laboratorio:
W
Si 1P est en la parte superior, se tiene:
W
W ][15 VVD =
Si 1P est en la parte media, se tiene:
WW
W
Si 1P est en la parte inferior se tiene:
WW
][0 VVD =
][5,7
][15][1000][500
VV
VV
D
D
=WW
=
-
5 Con los mtodos expuestos en el inciso anterior, punto a punto y barrido de frecuencia, se
determinar la curva caracterstica del diodo. Con esta curva se calcularn los siguientes parmetros:
- Resistencia dinmica del diodo:
)/ln()()/ln()()ln()()/ln()(
23121223
23121223
IIIIIIIIIIVVIIVVrs ---
----=
- Corriente inversa de saturacin:
juntura de aresistenci (
ln:con1212
12 )-I(I)-r-VV
)/I(IjS
=
- Capacidad de difusin:
[ ] 21
2
21
2
D 12)(1)(C
-+
+=w
wt eSIIj
c) Parmetros bsicos de los diodos 1N4007, AAZ15, 1N4043, HP2835
Diodo Material ][WSr ][AI S ][VVg ][ pfCTo ][ pfC p g
1N4007 Si 1,19x10-11 5,54x10-2 0,6< gV
-
6 - Variaciones con la temperatura
W
W
W W
][1054,5 2 W= -Sr
][83,0 ][1054,5][99,14
][66,14 1054,51000
15
2
2
mVVmArIV
mAII
DSDD
DD
=W==
=+
=
-
-
Calentando el diodo D con algn dispositivo emisor de calor, y midiendo la temperatura sobre el diodo con un termmetro, se deber observar una variacin que obedece a:
te.inversamen polarizado est diodo el Si 1
te.directamen polarizado est diodo el Si 1
/
/
-=
-=
-qKT
V
S
qKTV
S
eII
eII
Adems, SI tampoco es independiente de la temperatura, sino que vara segn:
)( 1212
TTKTSTS eII
-=
En el caso de la tensin se tiene:
)( 1212 TTkVV TDTD --=
-
7 2. Diodos de avalancha - efecto zener
Caractersticas en polarizacin directa e inversa
Explique detalladamente el funcionamiento de un circuito en polarizacin directa e inversa.
Polarizacin inversa de diodo zener. El diodo zener se polariza inversamente cuando se conecta el terminal positivo de la fuente al ctodo (borne N) y el terminal negativo de la fuente al nodo (borne P) del diodo.
Una vez alcanzado el voltaje zener de regulacin ZV , este diodo conduce, circulando por el una corriente considerable, establecindose as una diferencia con los diodos de uso general.
Analizando el circuito a utilizar en laboratorio y considerando a D como un diodo IN757:
][500 ;91,01,9 mWPV ZZ ==
W
Si 1P est en la parte superior, se tiene:
W
W
][9,5
10001,915
1510001,91000
151000100010001,9
100015
1000)(10001,9)(100015
mAI
I
I
III
II
IIIII
D
D
D
DDD
D
DD
D
=
-=
-=-
+-+=-
+=
+-=--=
-
8 Si 1P est en la parte media, se tiene:
W
W
W
Si 1P est en la parte inferior, se tiene:
WW
Polarizacin directa del diodo zener. Un diodo zener se polariza directamente cuando se conecta el nodo (borne P) al terminal positivo de la fuente y el ctodo (borne N) al terminal negativo de la fuente. En polarizacin directa, el diodo zener se comporte como un diodo de uso general.
Analizando el diodo a usar en laboratorio:
W
Si 1P est en la parte superior:
W
W
( )
][28,1
12501,95,7
12501,95,72505,715001,9
50015100050015001,9
100050015
5001000151000)(5001,9
)(50050015
mAI
I
III
II
II
IIIII
III
D
D
D
DD
DD
D
D
DD
D
=
-=
=---=-
+-=-
+=
-=
+-=--+=
][15
1000151000)2(100015
21000200010
1000)(10000)(50050015
mAI
III
IIII
IIIIII
D
D
DD
D
DD
DD
D
=
=-=
=-=
+-=-+=
-
9 Si 1P est en la parte media:
W W
W
Si 1P est en la parte baja:
W W
a) Mtodo punto a punto
Con los circuitos de las figuras 3 y 4 se medirn ZI y ZV , tanto en polarizacin directa como en polarizacin inversa. Con estos datos se levantarn las curvas caractersticas del diodo zener, haciendo nfasis en el voltaje zener de regulacin, para la polarizacin inversa y en el voltaje de arranque, para la polarizacin directa.
b) Mtodo de barrido de frecuencia
Sean los siguientes circuitos:
Variando la frecuencia del generador en los circuitos y con el osciloscopio previamente calibrado en el modo X-Y, se visualizan las curvas en polarizacin directa e inversa. Ntese que el canal Y est midiendo voltaje, estas lecturas deben ser divididas entre el valor de ][1 W= kR , midiendo as en forma indirecta la corriente que circula por el diodo.
][0 mAID =
][6
250015
1500100015500100015
500500)1500153
500150001000)(5000
)(50050015
mAI
I
IIII
IIIII
IIIII
III
D
D
DD
D
DD
D
DD
DD
D
=
=
+=+=
-+==
-=
+-=-+=
-
10 c) Parmetros bsicos de los diodos 1N4372, 1N757, 1N4554, MZ605
Diodo Material ][WZr ][VVr ][VVZ ][WPZ
1N757 Si 10 1,0 91,01,9 0,4
1N4372 Si 29 1,0 3 0,5
-
11 3. Aplicaciones con diodos
Circuitos recortadores
Circuito bsico:
Dibujar e0 si ei vara de -10 a +10 [v] en pasos de i[v]
Si ei= -10 se tiene:
Si ei= -9 se tiene:
Si ei= -8 se tiene:
]1[k =R3=R2=R11[A] deor rectificad :D5 D4, D2,
7,1[v] dezener :D3[v] 5,1 dezener :D1
W
-
12 Si ei= -7 se tiene:
Si ei= -6 se tiene:
Si ei= -5 se tiene:
Si ei= -4 se tiene:
-
13 Si ei= -3 se tiene:
Si ei= -2 se tiene:
Si ei= -1 se tiene:
Si ei=0 se tiene:
eo=0[v]
-
14 Si ei=1 se tiene:
Si ei=2 se tiene:
Si ei=3 se tiene:
Si ei=4 se tiene:
Si ei=5 se tiene:
][67,0
][2211
11
0
0
ve
vkkk
kke
=
+=
][1
][331
0
0
ve
ve
=
=
][33,1
][331
0
0
ve
ve
=
=
][67,1
][531
0
0
ve
ve
=
=
][33,0 ][11111
11)(
)(e
RR||RR||Re
00
32132
320
32
32132
32
32
132
32
32
32
0
132
320
vevkkkk
kke
eRRRRR
RRe
e
RRRRRRR
RRRR
eR
RRRR
RRRR
e
i
ii
i
=+
=
++=
+++
+=
++
+=
+=
-
15 Si ei=6 se tiene:
Si ei=7 se tiene:
Si ei=8 se tiene:
Si ei=9 se tiene:
Si ei=10 se tiene:
][1,5
1,51,5
0
00
1
ve
eIRIRe
P
i
=
===-
][1,5
1,51,5
0
00
1
ve
eIRIRe
P
i
=
===-
][1,5
1,51,5
0
00
1
ve
eIRIRe
P
i
=
===-
][1,5
1,51,5
0
00
1
ve
eIRIRe
P
i
=
===-
][1,5
1,51,5
0
00
1
ve
eIRIRe
P
i
=
===-
-
16 a) Dibujar la curva de transferencia e0 vs. ei.
][vei
][0 ve
b) Si ei es 10 sen(wt), Cunto vale e0?
][vei
][ mst
][0 ve
][ mst
Hzff
1002
== pw
-
17 c) Si ei es la onda triangular mostrada, Cunto vale eo?
][vei
][ mst
][0 ve
][ mst
][100 msT =
-
18 4. Circuitos Rectificadores
4.1. Rectificadores Polifsicos
a) Caractersticas
MAGNITUD SMBOLO MEDIA ONDA ONDA COMPLETA
Tensin continua de salida Vm 1,17 Vf 2,3 Vf
Tensin eficaz de salida V 1,017V, Vm
Amplitud de tensin salida VM 1,21 Vm 1,017Vm
Factor de forma kf 1,017 1
Factor de amplitud kA 1,19 1,047
Factor de ondulacin g 18,5 4,2
Factor de pulsacin kp 0,25 0,057
Ond
a Sa
lida
Frecuencia del armnico de orden sup. f0 3f0 6f0
Corriente media por rama Irm 0,333 Im 0,333 Im
Corriente eficaz por rama If 0,588 Im 0,577 Im
Corriente mxima por rama IFM 1,57 Im 1,047 Im
Rec
tific
ador
Tensin inversa mxima VRM 3,14 Vm 1,047 Vm
Tensin eficaz de base secundario Vf2 0,855 Vm 0,128 Vm
Tensin eficaz de lnea secundario VL2 1,48 Vm 0,74 Vm
Corriente eficaz secundario If2 0,588 Im 0,816 Im
Potencia aparente secundario S2 1,74 Vm Im 1,05 Vm Im
Factor de utilizacin secundario K2 0,662 0,954
Tensin eficaz del primario Vf1 0,855 Vm 0,428 Vm
Corriente eficaz primario If1 0,484 Im 0,816 Im
Potencia aparente primario S1 1,24 Vm Im 1,047 Vm Im
Tran
sfor
mad
or
Factor de utilizacin primario K1 0,663 0,954
-
19 b) Rectificador trifsico estrella media onda
2p
32p p
67p
23p
34p
35p p2
27p
38p
37p
611p
tw
tw
)240sin()120sin(
)sin(
3
2
1
+=+=
=
tVVtVVtVV
m
m
m
www
-
20 c) Rectificador estrella tipo puente
2p
32p p
67p
23p
34p
35p p2
611p
tw
tw
-
21 4.2. Rectificadores monofsicos
a) Rectificador de media onda
Se dispone de un transformador de ][6 vVsef
= y la carga ser de ][1 W= kRL
][vVS
][ mst
][49,8
])[100sin(49,8
)100sin(1000
49,8
][49,8
1N4007 :Diodo ;0con );100sin(
mAi
mAti
ti
vVV
RrrtRVi
D
D
D
SPm
LffL
mD
=
=
=
==
-
22 Potencia suministrada a la carga:
][29,7
7,27,2
mWP
IVP
CC
CCCCCC
=
==
Potencia total de entrada (potencia del transformador):
][02,18
41)49,8(
4
22
mWP
kmRIP
ac
Lmac
=
==
Factor de ripple:
21,1.. =RF
Voltaje inverso de cresta:
][49,8 vPIV =
b) Rectificador de onda completa
][0 vV
][ mst
][49,8semiciclo 2 )100sin(49,8 )sin(49,8
semiciclo. 1 )100sin(498 )sin(49,8
y :Si
do00
er00
21
vVtVtVt,VtV
RrRr
m
LfLf
=
+=+=
==
-
23 Corriente y tensin DC:
][44,3
)1000()41,5(22
][41,5
)49,8(22 2
mAI
RVmI
VV
VmV
CC
LCC
CC
CC
=
==
=
==
pp
pp
Potencia entregada a RL :
][2,29
)1000()49,8(44
2
22
mWP
RVP
CC
L
mCC
=
==pp
Potencia total entregada al circuito:
][04,36
)1000(22)49,8(
22
22
mWP
RVRIP
ac
L
mL
mac
=
===
Rendimiento:
%2,81
%10004,362,29%100
=
==
h
hmm
PP
ac
CC
Factor de rizado:
48,0.. =RF
Tensin inversa de pco:
][98,16
)49,8(22
vPIV
VPIV m
=
==
-
24 c) Rectificador tipo puente
][0 vV
][ mst
)100sin(49,8
)(sin
0
0
tV
tVV m
p=
=
Corriente y tensin D.C.
][4,5
)1()49,8(22
][4,5
)49,8(22
mAI
kRVI
vV
VV
CC
L
mCC
CC
mCC
=
==
=
==
pp
pp
Potencia entregada a RL :
][16,29
4,54,5
mWP
mIVP
CC
CCCCCC
=
==
lesdespreciab ,,, :Si][1][20
10050 :frecuencia La
][49,8
][6
4321
-
25 Potencia total entregada al circuito:
][04,36
249,8
22
222
mWP
kRVRIP
ac
L
mLmac
=
===
Rendimiento:
%91,80
%10004,3616,29%100
=
==
h
hac
CC
PP
Factor de ripple:
48,0.. =RF
Tensin inversa de pico:
][49,8 vPIV
VPIV m
=
=
-
26 5. Hojas tcnicas
Transistores BJT
Valores nominales mximos:
Transistor \ Carct. VCEO VCBO VEBO IC TA=25(PD)
2N4400 40 VDC 60 VDC 6 VDC 600 mA 310 W
2N4123 30 V 40 V 5 V 200 mA 310 mW
2N4402 40 V 40 V 5 V 600 mA 310 mW
2N3906 40 V 40 V 5 V 200 mA 310 mW
2N3055 60 V 100 V 7 V 15 A 115 W
2N51163 40 V 60 V 4 V 5 A 50 W
BC548 30 V 30 V 6 V 100 mA 625 mW
Caractersticas elctricas en estado OFF:
Transistor \ Carct. V(BR)CEO V(BR)CBO V(BR)EBO IBL ICEX
2N4400 40 Vmin 60 VDCmin 6 Vmin 0,1 m ADC 6,1 m Amax
2N4123 30 Vmin 40 Vmin 5 V 50 nA -
2N4402 40 Vmin 40 Vmin 5 V 0,1 m A 0,1 m A
2N3906 40 Vmin 40 Vmin 5 V 50 mA 50 nA
2N3055 70 Vmin - - 5 mA 5 mAmax
2N51163 40 Vmin - 4 Vmin 0,1 mA -
BC548 30 Vmin 30 Vmin 6 Vmin - 40 m Amax
-
27 Caractersticas elctricas en estado ON:
Transistor \ Carct. hfe VCE(SAT) VBE(SAT) Q(VCEO,IC)
2N4400 50 a 150 0,75 VDC 0,75 a 0,95 VDC 1V, 150 mA
2N4123 50 a 150 0,3 V 0,95 V 1V, 2mA
2N4402 50 a 150 0,4 V 0,65 a 0,95 V 5V, 150 mA
2N3906 100 a 300 0,25 V 0,65 a 0,85 V 1V, 10 mA
2N3055 20 a 70 8 Vmax 1,8 Vmax -
2N51163 10 min - - -
BC548 110 0,09 VTYP 0,7 VTYP 5V, 2mA
Caractersticas de seal pequea:
Caract. \ Transistor fT Cobo Cibo hie hre hfe hoe
2N4400 200 MHz 6,5 pf 30 pf 0,5 a 0,65 k W 8x10-4 20 a 250 1 a 30 mv
2N4123 250 MHz 4 pf 8 pf - - 50 a 200 -
2N4402 150 MHz 0,5 pf 30 pf 750 a 7,5 k W
0,1 a 8x10-4 30 a 250 1 a 100 m v
2N3906 250 MHz 4,5 pf 10 pf 2 a 12 k W 1 a 10x10-4 100 a 400 3 a 60 m v
2N3055 - - - - - - -
2N51163 500 MHz 45 a 60 pf - - - - -
BC548 300 MHz 1,7 pf 10 pf - - - -
-
28 Transistores JFET e IGFET
Valores nominales mximos:
Transistor / Carcter. VDS VDG VGS ID PD a 25C Canal
2N4223 (FET) 30 VDC 30 VDC 30 VDC 20 mADC 300 mW N
2N5460 (IFET) 40 VDC 40 VDC 40 VDC 10 mADC 310 mW P
2N4351 (MOSFET) 25 V 30 V + 30 V 20 mA 300 mW N
2N3797 (MOSFET) 20 V - + 30 V 20 mA 300 mW N
Caractersticas elctricas en estado OFF:
Transistor / Carcter. V(BR)GSS VGS(off) IGSS
2N4223 (FET) 30 Vmin 8 Vmax 0,25 nA
2N5460 (IFET) 40 Vmin 0,75 a 6 V 5 nA
2N4351 (MOSFET) - - 10 pA
2N3797 (MOSFET) - - 200 pA
Caractersticas elctricas en estado ON:
Transistor 2N4223 (FET) 2N5460 (IFET) 2N4351 (MOSFET) 2N3797 (MOSFET)
IDSS 3 a 18 mA 1 a 5 mA 10 mA 1,5 mATYP 3 mAmax
Caractersticas de seal pequea:
Transistor / Carcter. |Vfs| Re(Yfs) Re(Yos) Re(Yis) Ciss CTss
2N4223 (FET) 3 a 7 mV 0,33 a 0,14 k W 200 mV 800 mV 6 pf 2 pf
2N5460 (IFET) 1000 a 4000 m V Vfs-1 (75 m V)-1 - 5 a 7 pf 1pfTYP, 2pfmax
2N4351 (MOSFET) 1000 m V (1000 V)-1 300 W - 5 pfmax 1,3 pfmax
2N3797 (MOSFET) - - - - 5 a 7 pf 0,5 a 0,8 pf