Instituto Tecnológico de Costa Rica

Escuela de Ingeniería Electromecánica

Curso: Electricidad 3

Proyecto #1: Diodos Semiconductores

II Semestre 2003

OBJETIVOS

• Observar el comportamiento del diodo como interruptor.

• Comparar cualitativamente y cuantitativamente diferentes tipos de diodos.

• Dibujar la curva característica de un diodo LED.

• Comprobar el comportamiento de un regulador de voltaje construido con diodos Zener.

• Comprobar los valores de RLMIN y VENTMIN de un regulador de voltaje construido con diodos Zener.

MATERIALES

• Multímetro

• 1 Resistencia de 220 !.

• 1 Resistencia de 1 k!.

• 1 Resistencia de 10 k!.

• 1 Potenciómetro de 10 k!.

• 1 diodo de silicio, de ½W.

• 1 diodo de germanio de ½W.

• 1 fuente CD variable.

• Zener de 5.1v de ½W.

• 1 protoboard.

• Leds de diferentes colores.

Resolución Teórica

Comportamiento de los diferentes diodos ante la polarización.

Tipo de diodo	Voltaje de Unión en directa	Voltaje de unión en inversa
Silicio	Cerrado y conduce	"
Germanio	Cerrado y conduce	"
Zener 5.1v	Cerrado y conduce	"
Led Rojo	Cerrado y conduce	"
Led Verde	Cerrado y conduce	"
Led Amarillo	Cerrado y conduce	"
Led Azul	Cerrado y conduce	"

Comparación de los voltajes de operación de diferentes diodos.

Diodo	Voltaje (v)
Silicio	0.7
Germanio	0.3
LED (rojo, amarillo, verde, azul)	Un intervalo de 1.6 a 3.1 voltios

Curva característica de un diodo LED por el método punto a punto.

Según referencia teórica se considera un voltaje de Umbral de decisión de los diodos LED de 2V.

Además la corriente máxima que en teoría debe soportar un diodo LED es no mayor a 20mA.

Resultados Experimentales

Tabla 1.

Comportamiento de los diferentes diodos ante la polarización.

Tipo de diodo	Voltaje de unión en directa(mVoltios)	Voltaje de unión en inversa
Silicio	583	abierto
Germanio	254	abierto
Zener 5.1v	760	abierto
Led Rojo	1750	abierto
Led Verde	1770	abierto
Led Amarillo	1728	abierto
Led Azul	1763	abierto

Tabla 2.

Comparación de los voltajes de operación de diferentes diodos.

Diodo	Voltaje (v)
Silicio	0.7
Germanio (R=220!)	0.4
Germanio (R=10 k!)	0.22
Led Rojo	2.00
Led Verde	2.16
Led Amarillo	2.03
Led Azul	2.91

Tabla 3.

Curva característica de un diodo LED por el método punto a punto.

Voltaje de fuente (v)	Voltaje del LED (v)	Voltaje de carga(v)	Corriente del diodo (A)
-5
-2
-1
0
1	0.818	0.182	0.000827273
2	2.05	-0.05	-0.000227273
2.1	2.1	0	0
2.15	2.12	0.03	0.000136364
2.2	2.18	0.02	9.09091E-05
2.31	2.29	0.02	9.09091E-05
2.4	2.35	0.05	0.000227273
2.5	2.4	0.1	0.000454545
2.55	2.47	0.08	0.000363636
2.7	2.54	0.16	0.000727273
2.85	2.62	0.23	0.001045455
2.9	2.65	0.25	0.001136364
3	2.68	0.32	0.001454545
3.1	2.71	0.39	0.001772727
3.15	2.72	0.43	0.001954545
3.2	2.75	0.45	0.002045455
3.35	2.78	0.57	0.002590909
3.45	2.81	0.64	0.002909091
3.6	2.83	0.77	0.0035
3.65	2.84	0.81	0.003681818
3.85	2.87	0.98	0.004454545
3.95	2.88	1.07	0.004863636
4	2.89	1.11	0.005045455
4.15	2.91	1.24	0.005636364
4.25	2.92	1.33	0.006045455
4.45	2.93	1.52	0.006909091
4.6	2.95	1.65	0.0075
4.8	2.96	1.84	0.008363636
5	2.99	2.01	0.009136364

Gráfico 1.

Corriente vs Voltaje de un diodo azul según datos tabla 3.

Marco Teórico

El diodo semiconductor

Es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio.

Constan de dos partes una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura también llamada barrera o unión. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio.

El diodo se puede hacer funcionar de 2 maneras diferentes:

Polarización directa: Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del  diodo), o sea del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa con mucha facilidad el diodo comportándose éste prácticamente como un corto circuito.

Diodo en polarización directa

Polarización inversa: Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o se del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, comportándose éste prácticamente como un circuito abierto.

Diodo en polarización inversa

NOTA: El funcionamiento antes mencionado se refiere al diodo ideal, esto quiere decir que el diodo se toma como un elemento perfecto (como se hace en casi todos los casos), tanto en polarización directa como en polarización inversa.  

¿Qué aplicaciones tiene el diodo? Los diodos tienen muchas aplicaciones, pero una de las más comunes es el proceso de conversión de corriente alterna (C.A.) a corriente continua (C.C.). En este caso se utiliza el diodo como rectificador.

Símbolo del diodo ( A - ánodo  K - cátodo)

1. El diodo LED (Light Emiter Diode - Diodo Emisor de Luz)

Las pequeñas luces de diferentes colores que se encienden y apagan, en algún circuito electrónico, sin lugar a duda son los diodos LED en funcionamiento.

El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente emite luz.

Existen diodos LED es de varios colores y estos dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo.

Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa. El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por el va de 10 mA a 20 mA en los diodos de color rojo y de entre 20 mA y 40 mA para los otros LEDs.

Tiene enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como son su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas.

Aplicaciones tiene el diodo LED?

Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento.

Ejemplos:

• Se utilizan para desplegar contadores

• Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente directa.

• Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.

Símbolo del diodo LED
 

2. El diodo Zener

Es un tipo especial de diodo que diferencia del funcionamiento de los diodos comunes, como el diodo rectificador, en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa, el diodo Zener siempre se utiliza en polarización inversa, en donde la corriente desea circular en contra de la flecha que representa el mismo diodo. En este caso analizaremos el diodo Zener, pero no como un elemento ideal, si no como un elemento real y debemos tomar en cuenta que cuando éste se polariza en modo inverso si existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de muy poco valor.

Símbolo del diodo Zener
( A - ánodo  K - cátodo)

Analizando la curva del diodo Zener vemos que en el lugar donde se marca como región operativa, la corriente (Ir, en la línea vertical inferior) puede variar en un amplio margen, de pero el voltaje (Vz) no cambia. Se mantiene aproximadamente en 5.6 V. (para un diodo Zener de 5.6 V)

Aplicaciones del diodo Zener?

La principal aplicación que se le da al diodo Zener es la de regulador.

¿Qué hace un regulador con Zener?

Un regulador con Zener ideal mantiene un voltaje fijo predeterminado, a su salida, sin importar si varía el voltaje en la fuente de alimentación y sin importar como varíe la carga que se desea alimentar con este regulador.

Nota*: En las fuentes de voltaje ideales (algunas utilizan, entre otros elementos el diodo Zener), el voltaje de salida no varía conforme varía la carga. Pero las fuentes no son ideales y lo normal es que la tensión de salida disminuya conforme la carga va aumentado, o sea conforme la demanda de corriente de la carga aumente.

Para poder saber si una fuente de voltaje es de buena calidad se utiliza la siguiente fórmula:

Porcentaje de regulación

%Reg =  V (sin carga) - V (carga total) / V (carga total) * 100 %

*A menor valor de porcentaje de regulación, mejor calidad de fuente.

Fuente Eléctrica con diodo Zener

Cálculos Teóricos.

Armando el circuito de la figura y usando la resistencia de

carga en 10 k. Encontramos el valor de Vent Min.

Vdiodo = Vent * RL / RL + RS

Despejando Vent

Vent = Vdiodo ( RL + RS) / RL

Vent = 5V ( 10K + 1K ) / 10K

Vent = 5.5V

2. Colocando estable en 24 voltios el valor de la fuente encontramos el valor de RLMIN.

RLmin = Rs * Vz / Vi - Vz

RLmin = 1k * 5V / 24V - 5V

RLmin = 0.26

Tabla 4-a.

Voltajes de los componentes de un circuito regulador con un diodo Zener

Vent (v)	VRL (v)	VRL(v)	IRS (mA)
3	2.3	0.45	0.45
5	4.7	1.2	1.2
10	5.1	6.7	6.7
15	5	11.02	11.02
20	5	15.03	15.03
24	5	18.7	18.7

RL	Vent
10K	5V

Tabla 4-b.

RL (K)	VRS (v)	VRL(v)
0	23.9	0
0.01	18.1	5
0.5	18.2	5
1.02	18.7	5
7	19.1	5
10	19.2	5

RLmin	Vent
0 a 100	24V

Análisis de resultados

La función principal de un diodo es dejar pasar la corriente en una sola dirección.

Como se puede observar en la tabla1. todos los diodos conducen cuando se encuentran en dolarización directa; es debido al tipo de material con que están construidos (esto se detalla en el apéndice). Como lo muestra la tabla1. para una conexión del diodo en directa se obtuvieron ciertos valores de voltaje que se encuentran en milivoltios debido a la escala que utiliza el voltímetro, este trabaja de la siguiente manera:

• En directa se conectan las puntas como corresponden (rojo al ánodo y negro al cátodo de diodo) el voltímetro proporciona una pequeña corriente al diodo que este a su vez con su resistencia interna sufre una caída de voltaje la cual será en la zona de unión del diodo. En este caso el diodo de Germanio presenta el valor más bajo lo cual dice que necesita menos voltaje para llegar a cerrarse y empezar a conducir. Por otro lado el diodo LED azul es el que necesita mas voltaje para cerrarse y conducir, debido al tipo de color y material con el que fue construido (ver apéndice)

Con respecto a la tabla2. que presenta los voltajes de operación de diferentes diodos, se pudo observar como anteriormente se describió que el diodo de germanio es el que presenta menor valor de voltaje de operación, debido propiamente al material con que se construyo; además para este diodo se realizaron dos mediciones del voltaje de operación con valores distintos de resistencia en el circuito. Para este caso se utilizo una resistencia de 220 y otra de 10K, para esta última se observo una disminución en el voltaje de operación del diodo. Lo ocurrido es producto de que si se aumenta la resistencia disminuye la corriente en el diodo, pero nótese que ese aumento fue muy significativo, casi alrededor del 450% del valor de la resistencia y no disminuyo tanto el voltaje de operación del diodo por motivo que la resistencia del circuito consume la mayor parte de la potencia del sistema.

Para el diodo de silicio se encuentra un voltaje de operación más constante que el de germanio razón por la cual es el más usado.

Los diodos LED presentan un comportamiento muy interesante, estos se comportan según su color y como se puede observar en la tabla2. el diodo LED de color rojo presenta el voltaje de operación mas bajo y por el contrario el diodo LED azul, presenta el voltaje mas alto de operación, esto ocurre debido a que el LED azul esta mas cerca de las frecuencias ultravioletas en el espectro electromagnético.

Para el diodo LED azul se desarrollo su curva característica y se puede observar en la tabla 3. que al aplicar una variación de voltaje a partir de un cierto valor, el voltaje de operación se considera constante, ya que no varía mucho con respecto al voltaje de la fuente. Para este diodo se obtuvo que a partir de un voltaje de 2.91V se encontrara en operación. Como se muestra en los datos del apéndice, el intervalo del voltaje de operación de un diodo LED esta entre 1.56 a 2.3V, pero el azul fue la excepción por motivo a que es de muy alta luminosidad.

El diodo Zener se utilizo para regular una fuente de voltaje en el cual utilizamos uno con salida de 5.1V regulado. Observamos lo siguiente según la

tabla 4-a. para el primer caso donde se mantuvo la resistencia RL constante con un valor de 10K y variando la fuente o el voltaje de entrada de 0V a 24V se notó que a partir de un valor de 5V aproximadamente, el diodo entra en operación regulando el voltaje ya que su valor característico de voltaje que fue construido para regular es de 5.1V y además se muestra un aumento lineal de la corriente que pasa por la resistencia RS, esto es ocasionado a que cuando el diodo Zener comienza a regular toda la potencia cae por la resistencia RS consumiéndose en calor.

Para el segundo caso se realizo lo siguiente, se mantuvo constante el voltaje de entrada del circuito y se varió la resistencia RL de 0K a 10K, según la tabla 4-b. se observa que después de un cierto valor (aproximadamente 100) el diodo Zener empieza a regular; en realidad este valor de RL se tomó de un intervalo de 0 a 100  y es entonces a partir de este intervalo que se encuentra el diodo Zener en operación.

Conclusiones

• En dolarización directa, los diferentes diodos son conductores.

• En dolarización inversa, los diodos se encuentran abiertos.

• Cada tipo de diodo tiene su voltaje de operación propio.

• El diodo Zener entra en operación cuando el voltaje de entrada alcanza el voltaje de salida característica regulado.

• La curva característica de un diodo LED es muy similar a la de un diodo rectificador.

BIBLIOGRAFÍA

Oños E., Ruiz F. / Electrónica para electricistas / 3° Edición, Editorial GERSA, Industria Gráfica, Impreso en España, Febrero 1984.

Robert L. Boylestad./ Electrónica teoría de circuitos./ 6° Edición. Editorial Prentice Hall, 1997.

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