LABORATORIO DE ELECTRÓNICA Fecha: 10/09/2014
Tema:
Lab. N°
02
Grupo:
D
Semestre:
II
1. INTRODUCCIÓN Esta introducción contiene un breve resumen acerca del curso. Con el uso de ejemplos prácticos sencillos se demuestra el funcionamiento de varios componentes semiconductores, como los diodos y transistores de efecto de campo. Al registrar las características, montar configuraciones básicas y probar combinaciones de circuitos, el estudiante se familiarizará con las funciones básicas de estos componentes. Todos los experimentos están diseñados para ser implementados individualmente, sin necesidad de haber realizado los ensayos previos. Sin embargo, se recomienda proceder capítulo a capítulo y llevar a cabo los ejemplos prácticos en su contexto general.
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2. METAS DE APRENDIZAJE En esta sección se estudiará el funcionamiento de un diodo semiconductor. Se registrará el flujo de corriente que atraviesa el diodo con diversas intensidades y direcciones de tensión con la ayuda de un osciloscopio y, a continuación, se interpretarán los resultados.
Contenidos de aprendizaje
Registro de una característica de tensión y corriente Lectura de la tensión de ruptura Estados de conducción y bloqueo del diodo
Control con diodo láser Tomando como ejemplo un control de diodo láser, aquí se usa en su lugar un diodo emisor de luz y se prueba un circuito de varias etapas. Con la implementación de dichas etapas y el uso de puentes rectificadores y estabilizadores de voltaje y fuentes de alimentación constantes se analizarán los componentes semiconductores y sus circuitos básicos:
o o o o
Diodos, diodo Zener, diodo emisor de luz (rectificadores puente y estabilizadores de tensión) Transistor universal NPN (configuración de base común) Transistor de efecto de campo (fuente de corriente constante) Circuitos simples de transistor Aquí se toma un circuito de transistor preamplificador de una etapa y se prueba el funcionamiento del emisor común y el colector común Tiristor como conmutador Una aplicación importante en la electrónica de potencia es el uso del tiristor como disyuntor. Este ejemplo de circuito demuestra de manera clara y comprensible cómo el tiristor se activa y bloquea. Regulador con diac y tiristor o triac partiendo del ejemplo del control por corte de fase ascendente se analiza el funcionamiento de los siguientes componentes semiconductores: Diac como disparador Triac como conmutador en un control de semionda Tiristor como conmutador en control de onda completa Bocina de señal En esta aplicación se investigan las propiedades básicas de un transistor uniunión.
3. MATERIALES
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Interfaz UniTrain- I
Panel Elotrain para componentes de 2mm
Puentes de cable y conector puente
Instrumento multifuncional de medición
Diversos componentes Elo Train
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Algunas animaciones presuponen la instalación previa de Flash-Player. Si éste no es el caso, puede descargar en cualquier momento una versión actual de la página de Adobe.
NOTA: El símbolo U empleado en este curso en los diagrama de circuito y en algunas ecuaciones proviene de la notación alemana estándar, significa tensión y ha sido traducido en el texto por el símbolo V. La letra E proviene de la palabra alemana "Eingang" que significa entrada y A de "Ausgang" que significa salida; por lo tanto, por ejemplo, UE = Vin y UA = Vout.
PLACA DE CONEXIÓN Y CONECTORES PUENTE
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Todos los ejercicios de este curso se realizan en el sistema EloTrain. Este ofrece un soporte firme y establece un contacto eléctrico seguro entre las piezas insertables y los nodos de la placa.
Las estructuras de bus están diseñadas de manera que sea posible hacer llegar la tensión de alimentación a muchos puntos de la placa utilizando solo unos pocos conectores puente.
Cada nodo consta de nueve casquillos de 2 mm, conectados entre sí de manera que estén en capacidad de conducir corriente eléctrica. Los nodos se encuentran aislados entre sí.
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Cada contacto entre un nodo o las estructuras de bus se establece por medio de un conector puente de 2 milímetros (la distancia entre las clavijas es de 7,5 mm). De manera alternativa se puede emplear un puente de cable.
Puede obtener informaciones acerca de la interfaz UniTrain-I y de los dispositivos (instrumentos de medición, fuentes de tensión y de alimentación, al igual que entradas y salidas digitales) en la función de menú de “Ayuda”.
JUEGO DE COMPONENTES INSERTABLES El sistema EloTrain ofrece una gran variedad d e diferentes componentes insertables. El conjunto de piezas para los cursos de electrotecnia y electrónica contiene un equipamiento optimizado que permite la realización de numerosos experimentos.
Juego de piezas para el curso de componentes semiconductores
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Este curso contiene los siguientes componentes:
2 conmutadores 1 altavoz 1 bombilla 1 LED rojo 1 LED verde 1 resistencia de 33 Ω, 2 de 100 Ω, 1 de 220Ω, 1 de 330 Ω, 1 de 470 Ω, 1 de 680 Ω, 1 de 1 kΩ, 1 de 2,2 kΩ, 2 de 4,7 kΩ, 3 de 10 kΩ, 1 de 22 kΩ, 1 de 47 kΩ, 1 de 100kΩ 1 potenciómetro de 10kΩ 1 condensador de 0,1 μF; 1 de 22 μF, 1 de 0,47 μF 1 condensador electrolítico de 1 μF y 1 de 10 μF 6 diodos 1N4007, 1 diodo de germanio AA118 1 diodo Zener de 4,7V, 1 de 10V 1 transistor BC547 con base a la izquierda 1 transistor BD237 con base a la izquierda 1 transistor de efecto de campo 2N3819 1 transistor unijuncion 1 diac, 1 tiristor, 1 triac
4. MANTENIMIENTO DE LOS COMPONENTES INSERTABLES Los módulos electrónicos se encuentran dentro de cápsulas transparentes de Makrolon, lo cual permite su fácil reconocimiento. Poseen además una tapa blanca en la que se encuentran impresos el símbolo gráfico y los datos del componente respectivo. Una impresión lateral indica el número de referencia del artículo, facilitando así la identificación de la pieza. Los componentes insertables disponen de clavijas doradas de 2 mm de diámetro, con un contacto de muelle cuya resistencia sólo alcanza una magnitud despreciable. Durante el trabajo con los estudiantes, si no se procede de acuerdo con lo expuesto en las instrucciones, puede ocurrir que algún componente del sistema se dañe. En caso de ser así, esto no supone algo irreparable puesto que las cápsulas de Makrolon son muy fáciles de abrir y, utilizando un soldador y estaño adecuados, podrá desprender el componente dañado y soldar el nuevo, que podrá adquirir en una tienda especializada en electrónica o directamente en Lucas-Nülle (facilitándonos el número de referencia).
Podrá desprender el componente dañado y soldar el nuevo, que podrá adquirir en una tienda especializada en electrónica o directamente en Lucas-Nülle (facilitándonos el número de referencia).
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No abra la cápsula introduciendo lateralmente un objeto (destornillador, cuchillo, etc.) en la abertura para utilizarlo como palanca: con ello rompería inevitablemente el delgado puente de la cápsula de Makrolon. Si introduce un objeto punzante desde abajo, entre la pieza inferior y la superior, provocará que la parte superior se curve un poco, lo que le permitirá, mediante un leve movimiento, desencasquillar el componente inferior de la cápsula. A continuación, podrá retirarlo por completo. Para volver a montar las piezas no es necesario recurrir a ninguna herramienta: coloque simplemente la parte inferior sobre la ranura de la parte superior y presiónela hasta que se escuche un "clic" que indica el encaje correcto de los componentes.
5. INSTRUCCIONES PARA EJECUCIÓN INTERACTIVA DE EXPERIMENTOS Durante la realización de los experimentos de este curso usted recibirá asistencia prestada por un sistema interactivo. Este le permitirá conocer lo siguiente:
Cantidad y tipo de componentes, cables y conectores puente necesarios. Posicionamiento de los componentes para el montaje del circuito y las mediciones.
NOTA: Los montajes experimentales de este curso son únicamente propuestas de la manera en que se puede configurar un circuito o llevar a cabo un experimento. Naturalmente está usted en libertad de poner en práctica su propio montaje de
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experimentación.
En el área inferior de la aplicación puede observar los componentes necesarios. Con un clic sobre uno de ellos, éste aparecerá entonces sobre el panel de experimentación. En el caso de que desee retirar una pieza o cable sólo tiene que volver a pulsar el objeto en cuestión en la parte inferior de la barra. a) Por medio de este comando se pueden insertar todos los conectores puente necesarios. b) Este botón permite insertar simultáneamente todos los componentes empleados. c) Si coloca el cursor del ratón sobre un componente se visualizará en esta línea el nombre correspondiente. d) En el caso de que se necesiten más de nueve componentes y cables, por medio de este botón podrá desplazar a derecha e izquierda el almacén de piezas.
Diagrama de circuito
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El circuito principal del control de diodo láser tiene el siguiente diagrama. Durante la realización de los experimentos subordinados, se familiarizará detalladamente con los segmentos individuales del circuito y sus funciones respectivas:
Monte el circuito principal paso a paso. Los experimentos individuales se montan y se realizan las mediciones en etapas parciales que forman parte del experimento general.
DIAGRAMA DEL PANEL DE PRUEBAS Para poder medir las características de los componentes individuales, como los transistores o diodos Zener, se tiene previsto un circuito especial. Al examinar los componentes, se los puede separar del circuito, mientras no se cuente con más de uno de ellos, para insertarlos en la posición predefinida del panel de prueba. Desconecte siempre las fuentes de alimentación y las de emisión de señales antes de remover o conectar algún componente en el circuito. De lo contrario, los componentes pueden sufrir daños eléctricos. Los diodos modernos son componentes semiconductores que han adquirido gran importancia en la ingenería eléctrica y electrónica debido a su diseño compacto y naturaleza robusta. En el pasado se usaron diodos de vacío con cátodos y ánodos calientes. Hoy, el silicio es el material básico más importante.
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Figura 1:
Aquí se observan varios modelos de diodos semiconductores, que difieren entre sí por su resistencia a la tensión, a la corriente y por su frecuencia de conmutación. El fabricante proporciona especificaciones precisas de estas propiedades en una hoja de datos. Usualmente, los diodos poseen dos terminales. Figura 2: Incluso en la actualidad, los diodos semiconductores se representan por medio de un ánodo y un cátodo.
Figura 3: Características de diodos de silicio y germanio en estado de conducción.
Descripción del funcionamiento: El diodo ideal funciona como una válvula de corriente eléctrica. Permite que la corriente fluya del ánodo hacia el cátodo en el sentido de conducción, mientras que bloquea la circulación de corriente del cátodo hacia el ánodo en la dirección inversa. La dirección de conducción de corriente se reconoce por la flecha en el símbolo gráfico (figura 2).
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Diodos reales: En el componente real (figura 1) se imprime una denominación del tipo. El cátodo se identifica por medio de un anillo o, en el caso de modelos más grandes, gracias al símbolo gráfico o una letra. Ocasionalmente, también hay tipos que omiten del todo la identificación. Por lo tanto, hay que remitirse a la ficha técnica del fabricante correspondiente o realizar una medición con el probador de diodos. Las propiedades de un diodo real difieren ligeramente de las de uno ideal puesto que no presentan propiedades de conducción ni de bloqueo ideales. Esto se reconoce especialmente en la curva característica del diodo (figura 3). Se pueden notar efectos adversos al usar altas frecuencias, hecho que, sin embargo, ignoraremos en este curso.
Sentido de conducción: Los diodos tienen una tensión de conducción muy baja, de aproximadamente 0,7 V en el caso de un diodo de silicio y 0,3 V si se trata de uno de germanio. Además, tienen una resistencia a la conducción de corriente que se reconoce en la pendiente de la característica del componente. Los diodos poseen límites que no se pueden rebasar. En el rango de conducción no se debe exceder la corriente máxima admisible.
Propiedades de bloqueo: Los diodos solamente tienen una resistencia finita a la tensión, la cual, sin embargo, varía enormemente de tipo a tipo. En el sentido de bloqueo, se debe tener en cuenta la máxima tensión de admisible.
6. PROCEDIMIENTOS Y RESULTADOS
Experimento: Efecto de válvula de un diodo
Diagrama de circuito
Para este experimento se utilizará el siguiente diagrama:
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Equipos
Para el experimento se necesitan los siguientes elementos con sus ajustes correspondientes:
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Equipo
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Opciones
Cable negro Cable rojo Selector giratorio
Masa Entrada 400 mA mA = prueba roja y negra en los casquillos terminales designados.
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Realización del experimento y tareas
Conecte la fuente de alimentación en la posición indicada en el montaje experimental. Seleccione para la tensión de salida un valor aproximado de 4 V.
¿Cuál es el valor de la corriente que circula a través del diodo en el sentido de conducción? Iconducción =37 ¡Correcto!
mA
Ahora invierta la dirección del diodo, es decir, insértelo en el sentido de bloqueo del circuito. Repita la medición llevada a cabo en la pregunta anterior. ¿Cuál es el valor de la intensidad de corriente si el diodo está conectado en sentido de bloqueo? I bloqueo=0,002
mA
¡Correcto!
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Experimento: Rectificador de media onda
Montaje experimental y Gráficas
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Realización del experimento y tareas Seleccione en el osciloscopio las opciones indicadas anteriormente. Copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación.
¿Cuál es la tensión máxima que circula a través de la resistencia?
V pp = 3,5
V
¡Correcto!
¿A partir de esto, cuál es el valor de la tensión que cae en la resistencia?
Vmínima = 0,8 ¡Correcto!
V
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Cambie la frecuencia del generador de funciones a 200 Hz. No adapte en este caso el barrido de la frecuencia. Copie el oscilograma obtenido en el recuadro que se encuentra a continuación.
Cambie la frecuencia del generador de funciones a 200 Hz. ¿Cuál es la tensión máxima que circula ahora a través de la resistencia?
Vmáxima = 3,5
V
¡Correcto!
¿Cuál es la tensión mínima que circula a través de la resistencia?
Vmínima = 2,4
V
¡Correcto!
Reemplace el resistor de 10 kiloohmios por uno de 4,7 kiloohmios y seleccione una frecuencia de 50 Hz (para una mejor lectura es necesario volver a adaptar el barrido). ¿Cuál es la tensión mínima que circula a través de la resistencia?
Vmínima = 0,2
V
¡Correcto!
Aumente nuevamente la frecuencia a 200 Hz. ¿Cuál es la tensión mínima que circula a través de la resistencia?
Vmínima = 1,5 ¡Correcto!
V
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Calcule la ondulación residual a partir de las mediciones anteriores. Con esta finalidad consulte la página anterior.
Q10k,50Hz =
%
Q10k,200Hz =
%
Q4,7k,50Hz =
%
Q4,7k,200Hz =
%
Por favor, complete todos los espacios en blanco. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta? La ondulación residual...
... disminuye al incrementarse la carga. ... se incrementa con el aumento de la frecuencia. ... permanece siempre igual. ... disminuye si decrece la carga. ... aumenta si disminuye la frecuencia.
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7. OBSERVACIONES a. Es importante leer el fundamento teórico presente en la interfaz del programa y recomendable tener conocimientos previos a la sesión de laboratorio, con el fin de aprovechar mejor las experiencias y tareas a realizar en la sesión. b. En la segunda sesión trabajamos con diodos rectificadores y observamos sus gráficamente as comportamiento c. Algunos materiales pueden ser bastante frágiles, por ello se debe tener cuidado en su manipulación.
d. Al terminar de usar el computador, se debe desenergizar y guardar ordenadamente el teclado y mouse en su casilla.
e. Al finalizar las actividades, se desensamblan las estructuras. Los materiales se guardan en sus respectivas cajas o maletas y son entregados a los alumnos que fueron designados para esa tarea.
8. CONCLUSIONES a. Los rectificadores atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de
b.
c.
d.
media onda, cuando sólo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados. Hay aplicaciones en las que la caída de tensión directa en los diodos (V F) causa que tengan una baja eficiencia, como el caso de algunos convertidores DC-DC. Un rectificador de onda completa convierte la totalidad de la forma de onda de entrada en una polaridad constante (positiva o negativa) en la salida, mediante la inversión de las porciones (semiciclos) negativas (o positivas) de la forma de onda de entrada. Cuando la tensión de entrada es positiva, el diodo se polariza en directo y se puede sustituir por un corto circuito.
