Práctica 1: Diodos

Introducción

El diodo es un dispositivo semiconductor de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. El diodo posee las siguientes funciones:

  • Rectificar: son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua
  • Proteger: en un circuito en donde convenga que la corriente circule solamente en un determinado sentido, y nunca en el sentido contrario, puede ser protegido por la presencia de un diodo.

El diodo está hecho de cristal semiconductor, como el silicio, con impurezas en él para crear una región que contiene portadores de carga negativa (electrones), llamado semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contiene portadores de carga positiva (huecos), llamado semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde el cristal conduce una corriente de electrones del lado n, pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo.

diodo

Objetivo

Mediante la simulación de circuitos, familiarizar al alumno con el comportamiento del diodo ante fuentes de alimentación de corriente continua.

Fundamentos

Historia

Su funcionamiento se le debe al  inventor estadounidense Lee De Forest, de quien John Fleming tomó algunos principios para la creación. Los primeros diodos que aparecieron eran válvulas o tubos vacíos llamados válvulas termoiónicas. Se encontraban construidos por medio de dos electrodos rodeados de vació en un tubo de cristal, muy similares a las lámparas incandescentes.

Diodo ideal

En forma ideal, un diodo conduce corriente en la dirección definida por la flecha en el símbolo y actuará como un circuito abierto para cualquier intento de establecer corriente en la dirección opuesta. Básicamente, las características de un diodo ideal son las de un interruptor que puede conducir corriente en una sola dirección.

diodo ideal

Diodos semiconductores PN

Los diodos pn son uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos p y n, por lo que también reciben la denominación de unión pn. Al unir ambos cristales, se manifiestan dos procesos:

  1. La difusión de huecos del cristal p al n
  2. Una corriente de electrones del cristal n al p

Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona denominada región de agotamiento. A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión.

region de agotamiento

Sin embargo, la acumulación de cargas induce una diferencia de tensión (V) que actuará sobre los electrones con una determinada fuerza de desplazamiento que se opondrá a la difusión de huecos y a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos. [Esta diferencia de tensión de equilibrio (V0) es de 0,7V en el caso del silicio y 0,3V si los cristales son de germanio.]

Existen tres posibilidades al aplicar un voltaje a través de las terminales del diodo:

  • No hay polarización (VD = 0 V).
  • Polarización inversa (VD < 0 V).
  • Polarización directa (VD > 0 V).
Polarización inversa

Durante la polarización inversa el polo negativo de la batería se conecta a la zona p (la de menor tensión), lo que hace aumentar la zona de carga espacial y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería. En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, produce una pequeña corriente del orden de 1 μA.

polarizacion inversa

Polarización directa

En este caso, al contrario que en el anterior, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de las corrientes de electrones y huecos a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.

polarizacion directa

En resumen,

grafica diodo

Aplicaciones

Entre las aplicaciones más comunes del diodo se cuentan las siguientes:

  • Rectificador de media ondaes el circuito más sencillo que puede construirse con un diodo, elimina la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna y la transforma en corriente de salida directa.
  • Rectificador de onda completa: es un tipo de circuito que empleará dos o cuatro diodos y a diferencia del anterior convierte la señal de corriente alterna positiva en negativa o viceversa.
  • Doblador de tensiónmediante etapas de diodos y condensadores convierte tensión desde una fuente de corriente alterna a otra de corriente continua.
  • Estabilizador Zener: diodo de silicio que recibió el nombre de su creador y que funciona en las zonas de ruptura.
  • Recortador: reduce las tensiones en un punto del circuito
  • Circuito fijador: no modifican la forma de onda de entrada sino que le añaden un determinado nivel de corriente continua
  • Multiplicador de tensión: redes de diodos y condensadores que promueven una tensión continua muy alta.
  • Divisor de tensión: reparte la tensión de una fuente entre una o más impedancias que se encuentran conectadas en serie.

 Material y Equipo Necesario

  • Fuente de corriente continua
  • Protoboard
  • Multímetro
  • Resistencia de 10kΩ
  • Diodo 1N4148
  • Alambre

Desarrollo de la práctica

Medición de la resistencia10 k resistor

El primer paso de la practica fue encontrar una resistencia adecuada para armar el circuito requerido para la realización de la practica. La resistencia que decidimos usar fue de 10kΩ. El código de colores de dicha resistencia es café-negro-naranja. El valor real de la resistencia, medido con el multímetro, fue de 9.93 kΩ.

Diodo 1N41481n4148

El 1N4148 es un diodo discreto de uso general. Posee una velocidad de cambio alta, y una corriente máxima y puntuación de voltaje inverso modestos. Como es un aparato de bajo costo y dos cables, los aficionados los usan para construir pequeños circuitos, incluyendo aquellos para aplicaciones radiales, digitales y de audio. El 1N4148 tiene una corriente continua máxima de 200 mA y una máxima intermitente de 450 mA. Este tipo de diodo fue el usado en el circuito.

Armado del circuito

Con la resistencia de 10kΩ y el diodo 1N4148, armamos el siguiente circuito:

circuito

Nuestro circuito terminado, sin conectar a la fuente de alimentación, se veía de ésta manera:

P1020890

 

Mediciones realizadas

Conectamos el circuito a la fuente de alimentación, y variamos el valor del mismo de 0.1V a 5V. Medimos la corriente que pasa por la resistencia y la tensión del diodo. Registramos las mediciones obtenidas en una tabla.

Resultados

Al verificar que la fuente nos diera un voltaje exacto, nos dimos cuenta que el multímetro registraba una tensión un poco diferente a la que mostraba la fuente. Cuando la fuente marcaba 2.5V el multímetro marcaba 2.6V, y cuando situábamos la perilla de la fuente a 0.1V el multímetro registraba 0.16V.

Los resultados que obtuvimos se muestran en la siguiente tabla:

tabla1

Con estos resultados obtuvimos la gráfica que muestra la curva característica del 1n4148:

grafica1

 Imágenes sobre la práctica

Medición del voltaje

El pase de diapositivas requiere JavaScript.

Medición de la corriente:

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Video

 

Conclusión

Gracias a esta práctica aprendí más sobre el funcionamiento del diodo, en especial del diodo 1n4148, que fue el usado en el circuito. También aprendí a utilizar la fuente de poder de voltaje, ya que no lo había hecho antes. Aunque nuestras mediciones de voltaje con el multímetro eran diferentes a las mediciones de la fuente, no eran suficientemente diferentes  a las que arrojaba la fuente, así que podemos confiar en que nuestra gráfica característica del diodo es correcta.

Referencias

  • Molina Marticorena, José Luis. “El Diodo.” Profesor Molina. Web. 29 Ene. 2015. <http%3A%2F%2Fwww.profesormolina.com.ar%2Ftutoriales%2Fdiodo.htm>.
  • “Diodo.” Enciclopedia Libre Universal En Español. 20 Dic. 2010. Web. 29 Ene. 2015. <http%enciclopedia.us.es%index%php%Diodo>.
  • “Definición De Diodo.” Definición ABC. Web. 2 Feb. 2015. <http%www.definicionabc.com%tecnologia%diodo.php>.
  • “Diodos Y Transistores.” Rincón Del Vago. Web. 2 Feb. 2015. <http%html.rincondelvago.com%diodos-y-transistores.html>.
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