TEORIA DE CIRCUITS I ELECTRÒNICA

[pic 1]

Grau en Enginyeria Electrònica de Telecomunicació Grau en Enginyeria de Sistemes de Telecomunicació

TEORIA DE CIRCUITS I ELECTRÒNICA

[pic 2]

OBJECTIU

Els objectius d’aquesta pràctica són: (a) observar les característiques corrent/tensió “I(V)” de dispositius no lineals tal i com el díode i (b) realitzar muntatges simples amb díodes per aprendre’n el funcionament pràctic. Els díodes que s’estudiaran són tant el díode d’unió PN, com el LED.

1. INTRODUCCIÓ

1. EL DÍODE.

Un díode és un dispositiu semiconductor que està format per la unió d'una zona de semiconductor tipus N (càtode) i una altra de semiconductor tipus P (ànode). En la unió dels dos semiconductors es forma una zona de càrrega d'espai (zona de depleció), s'acumula càrrega de signe diferent a una banda i altra de la zona de depleció, i conseqüentment es forma un camp elèctric intern i una barrera de tensió. És aquest fet el que condiciona el comportament no lineal del dispositiu.

a)[pic 3]

ànode

b)

ZCE

càtode[pic 4]

Figura 1: a) Díode format per una unió PN. La zona gris representa la zona de càrrega  d'espai (ZCE), i  els signes, la càrrega acumulada a banda i banda. b) Símbol d'un díode com element de circuit.

Un díode és un dispositiu de dos terminals no lineal. Si apliquem sobre el díode una tensió ànode-càtode positiva per sobre de 0.5V (polarització en directe) el corrent augmenta ràpidament. Aquest augment és tant ràpid que a 0.5V el corrent pot ser de 1mA i a 0.8V el corrent en directe por ésser ja d'alguns ampers. A la pràctica considerem que el díode no condueix per tensions inferiors a 0.7V (tensió llindar del díode). Quan apliquem una tensió ànode-càtode negativa (polarització inversa) el corrent resultant és molt petit. Tot això queda resumit a la figura 2. La variació del corrent amb la tensió ve descrita per l’expressió següent:

i =i0[exp (qV/KT) -1]

on i0 és el corrent invers de saturació; V és la tensió que cau entre els terminals del díode: V=Van-Vcat; q és la càrrega de l’electró; k la constant de Boltzmann i T la temperatura de treball). A la figura 2 també es veu que hi ha una tensió inversa, a partir de la qual el díode es posa a conduir. Aquesta tensió s'anomena tensió de ruptura. Per un model de díode aquesta ruptura sempre es produeix a la mateixa tensió. Depenent del tipus de díode, la ruptura pot comportar la destrucció del dispositiu.

20mA[pic 5]

10mA

-100V        -50V

1V        2V

1µA

2µA

Figura 2: Corba característica d’un díode

(noteu els eixos amb escales diferents pels valors negatius i positius)

Existeixen díodes dissenyats per treballar en aquesta zona sense destruir-se anomenats díodes Zener, classificant-se segons la seva tensió de ruptura. Per tal de distingir-los es fa servir el símbol electrònic de la figura 3.

ànode        càtode[pic 6]

Figura 3: Díode Zener

Per últim esmentem els LEDs o Light-Emitting Diodes, que són díodes normalment de GaAs o altres materials semiconductors III-V, amb la particularitat que quan estan en directe emeten llum. La tensió de polarització en directe en aquest cas és de 2V o més, i el seu símbol és el de la figura 4.

ànode        càtode[pic 7][pic 8]

Figura 4: LED

MODEL IDEAL

Degut a la complexitat de la relació entre la tensió i la intensitat del díode, s’utilitzen models més simples per resoldre circuits amb díodes. Com que la variació del corrent amb la tensió és tant elevada, permet considerar que a partir d’un valor raonable de corrent, la tensió és constant i independent de la tensió aplicada. S'agafa com a constant 0.7V. Per altra banda, resulta raonable suposar que per valors negatius de la tensió de la figura 2, el corrent és zero. Així reduïm el díode a dos règims lineals (figura 5a i esquema):

Un model encara més simplificat, no considera la caiguda de tensió en directa. És com el model no ideal, però amb una caiguda de tensió de 0 volts en lloc de 0.7 V (figura 5.b).

[pic 9][pic 10]

1. (b)

Figura 5: Models ideals del díode; (a) tenint en compte la tensió llindar i (b) fent la tensió llindar igual a 0.

Donat que al laboratori resulta fàcil observar la caiguda de tensió en directa, quan utilitzem el díode com element de circuit farem servir el model de la figura 5a.

Els encapsulats són molt diversos, depenent de la potència màxima que poden dissipar. De tota manera, el seu aspecte és similar a una resistència però amb una banda generalment de color blanc indicant el terminal càtode, tal i com es pot veure a les fotos.

[pic 11]        [pic 12]

1N4004 – propòsit general

~ 0,026 €

1N4148 – Petit senyal – RF

~ 0,01 €

40HF10 – Potència[pic 13]

~ 2 €

1. CIRCUITS AMB DIODES

1. Caracterització del díode: Corba corrent-tensió

Qüestió prèvia 1. Simulació amb SPICE:

Simula amb PSPICE el circuit de la figura 6 amb el díode D1N400 i amb Vi com una font triangular que varia entre -5 i 5V. Fes un escombrat en DC (DC sweep) del circuit de la figura 6 (el díode és el D1N4004), on Vi és una font triangular que varia entre -5 i 5V. Pots visualitzar la característica I-V del díode representant el corrent al díode (eix Y: ID ) en funció de la tensió (eix X : Vin -Vout). Dibuixa la característica I-V.

NOTA: Per modificar el valor representat a l’eix X cal fer doble click sobre els eixos (millor sobre l’eix y) i modificar la variable representada que trobareu a Axis_Variable dins del menú X Axis.

Realització pràctica

2.1.1) Dibuixar la corba I/V que observes a l’oscil·loscopi pel díode normal, el LED .

El primer exercici a realitzar consisteix en reproduir la corba de la figura 2 de la introducció pel díode 1N4004. Es tracta doncs, de realitzar la mesura del corrent que passa pel díode tot realitzant un escombrat de tensió. Això ho podem fer a partir del muntatge de la figura 6. Agafeu un díode tipus 1N4004 i un LED. Anoteu el color del LED. En el primer exercici utilitzeu el multímetre per caracteritzar els díodes. En la posició de “díode” es mesura la tensió a la que comença a conduir. En el cas de díodes de silici la tensió a de donar entre 0,5 i 0,8V.

El segon exercici a realitzar consisteix en visualitzar una corba equivalent a la corba I-V de la figura 2 pel díode 1N4004. Es tracta de visualitzar el corrent que passa pel díode mesurant la tensió que cau en la resistència tot realitzant un escombrat de tensió. Això ho podem fer a partir del muntatge de la figura 6.

[pic 14][pic 15]

Figura 6: Muntatge per caracteritzar el díode

Primer utilitzarem la font de tensió variable i visualitzarem la tensió d’entrada Vin pel canal 1  del oscil·loscopi i la sortida Vo pel canal 2. Variarem la tensió d’entrada desde -5 fins +5 i anotarem els valors de Vo. Per cada parella de dades es pot calcular el corrent que passa pel diode Id i la tensió que cau el diode Vd.

...