PRÁCTICAS DE LABORATORIO

1. UNIVERSIDAD DE OVIEDO Universidad de Oviedo ÁREA DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA PRÁCTICAS DE LABORATORIO ASIGNATURA: DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS 1ER CURSO DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN

2. PRÁCTICA 1 Guión: • Manejo del osciloscopio • Manejo del generador de funciones • Montaje con diodos • Efecto de la tensión de codo • Comportamiento en frecuencia

3. Equipos usados en las prácticas de dispositivos Osciloscopio Generador de funciones Fuente de alimentación

4. Manejo del osciloscopio Botones de Menú Mandos relacionados con la sincronización Mandos relacionados con la escala vertical Mandos relacionados con la escala horizontal

5. El osciloscopio es un equipo que sirve para visualizar formas de onda de TENSIÓN de un circuito. Las formas de onda las representan en dos ejes: el eje de abscisas representa tiempo y el eje de ordenadas representa tensión. Las escalas de ambos ejes son modificables por el usuario. La pantalla está dividida en cuadrículas y lo que el usuario elige es el valor de cada una de esas cuadrículas. Voltios V/Div Cuadrícula Tiempo Time/Div

6. Escala Vertical ! En el osciloscopio, el usuario puede elegir el punto donde quiere que se represente el valor de cero voltios. Para ello, debe usarse el cursor de posición. Este mando activa el menú de matemáticas. Las opciones que presenta permiten hacer operaciones aritméticas con las formas de onda. Este mando muestra en pantalla el menú correspondiente al canal 2. Además, activa o desactiva el canal pulsándolo sucesivas veces. Con este mando elegimos el valor de la escala vertical de cada cuadrícula. Este valor puede estar comprendido entre 2mV y 5V cuando la sonda es de tipo 1:1. Si la sonda es 1:X, estos valores se multiplican por X. Es necesario informar al equipo del tipo de sonda en uso

7. Escala Horizontal Con este mando puede desplazarse horizontalmente la traza que se está representando en el osciloscopio. Con este mando se activa el menú correspondiente a la escala horizontal del osciloscopio. Con este mando se selecciona el valor horizontal de cada cuadrícula. Este valor está comprendido entre 5ns y 5s.

8. Sincronización de formas de onda El osciloscopio está pensado para representar formas de onda periódicas. Para que la imagen aparezca representada de forma estable, el osciloscopio debe poder tomar “instantáneas” de la forma de onda siempre en el mismo punto. Esto se consigue con los mandos de sincronización (TRIGGER). Este mando fija el nivel de disparo Este mando activa el menú del TRIGGER. En este menú debemos seleccionar el canal que estamos intentando sincronizar. También podemos elegir la pendiente en la que se realizará el disparo: positiva o negativa. Nivel de disparo Dos opciones:

9. Modo DC y Modo AC En el menú de selección de cada canal aparece una de las opciones de más interés del osciloscopio: el modo DC y el modo AC. Como se ha comentado, el osciloscopio es un equipo que sirve para representar formas de onda de un circuito. El modo DC representa las formas de onda tal cual son, es decir, vemos la forma de onda real. Sin embargo, el modo AC filtra la señal con lo que lo que vemos en el osciloscopio no se corresponde totalmente con la realidad. El modo AC elimina la componente de continua de una forma de onda. Forma de onda real: modo DC Forma de onda en modo AC 11 10 1 9 0 Componente de continua -1 0 Se elimina la componente de continua

10. Sondas ! Este osciloscopio tiene dos canales: CH1 y CH2. MUY IMPORTANTE: las masas de ambos canales están unidas, es decir, comparten la misma masa. MASA Terminal Activo Los dos cocodrilos deben conectarse en el mismo punto del circuito MASA Terminal Activo

11. DECÁLOGO BÁSICO PARA EL USO DEL OSCILOSCOPIO • Tener en mente la forma de onda que pretendemos visualizar (amplitud y frecuencia) • Adecuar la escala horizontal y la escala vertical para poder visualizar tres o cuatro periodos de dicha forma de onda. • Seleccionar el canal correspondiente a la sonda que estamos usando • Comprobar que el tipo de sonda es el adecuado ( 1:1, 1:10, etc) • En general, comprobar que la masa de la sonda está pinchada en la masa del circuito • Comprobar que el canal en uso está en modo DC • Comprobar que el menú MATH no está activado • Fijar el punto de cero voltios en el lugar deseado • Comprobar que el TRIGGER está intentando sincronizar el canal que estamos usando • Fijar el nivel de disparo en cualquier punto dentro de la forma de onda

12. Manejo del generador de funciones Valor de continua (OFFSET) Selección de la amplitud Voltios Amplitud Valor de continua (OFFSET) 0 Voltios tiempo Salida Selección de la frecuencia Selección de la forma de onda

13. Montaje 1 a realizar: VD Generador de funciones: VR Senoide 10V, 1kHz Objetivo: observar las características reales de diferentes tipos de diodos. En concreto, su tensión de codo y su tiempo de recuperación inversa. Diodos a utilizar: Diodo estándar alta tensión: 1N4007 Diodo estándar de señal: 1N4148 Diodo Schottky: 11DQ10 Diodo de Germanio: AA119

14. Pines de un diodo: Ánodo Cátodo Ánodo Cátodo Patillaje de un diodo LED Cátodo Ánodo Ánodo Cátodo

15. Valor de una resistencia: a b c T Valor: En el ejemplo: Oro ±5% T: Tolerancia Plata ±10%

16. Tensión de codo real: VD Generador de funciones: VG VR Senoide 10V, 1kHz Como se puede observar, se cumple: VR= VG-VD. Si el diodo fuese ideal y la tensión de codo fuese nula, la tensión de la resistencia sería igual a la del generador de funciones. En la realidad esto no es así y por tanto, la tensión en la resistencia será siempre menor que la del generador. Esto se puede observar en este montaje si vemos en el osciloscopio la tensión VG y la tensión VR simultáneamente: VG VD VR Realizar este montaje con todos los diodos y averiguar sus tensiones de codo Repetir las pruebas pero esta vez utilizando una senoide de 2V

17. Tiempo de recuperación real: VD ID Generador de funciones: VG VR = R·ID Onda Cuadrada 10V, 1kHz VG VR Ideal Esta forma de onda es proporcional a la forma de onda de la corriente que circula por el diodo trr Realizar este montaje con todos los diodos y averiguar sus tiempos de recuperación. En cada caso, realizar las pruebas a diversas frecuencias (entre 1kHz y 1MHz)

18. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LOS DIODOS En la siguiente tabla se muestran las características básicas de algunos diodos obtenidas de los catálogos suministrados por los fabricantes. Compárense los datos obtenidos experimentalmente con los datos teóricos. tRR (ns) IF VF VRRM 1N4007 1000 1 A 0,95 V 1000 75 1 V 4 1N4148 200 mA 11DQ10 100 1 A 0,85 V <1 AA119 45 35 mA

19. PRÁCTICA 2 Guión: • Montaje con diodos zener • Obtención de curvas características de diodos • Trabajo en modo XY del osciloscopio • Curvas de diodos: standard, schottky, germanio, zener y LED

20. Montaje 1 a realizar: Limitador 1k Generador de funciones: 4,3 V VG VZ Senoide 10V, 1kHz 5,1 V Objetivo: comprobar el funcionamiento de un diodo zener. Para ello, se propone el montaje de la figura con dos diodos zener en antiserie. Como se podrá comprobar con este montaje, los diodos zener van a limitar la tensión en bornes de los mismos (VZ) al valor de su tensión zener (más tensión de codo del otro diodo). Por tanto, a pesar de que la fuente de tensión proporciona 10V, los diodos van a impedir que la tensión VZ supere los 4,3 V en el semiperiodo positivo y los 5,1 V en el negativo (aprox.). Obténganse simultáneamente en el osciloscopio las tensiones VG y VZ

21. Semiperiodo positivo + RDZ1 Zona Zener DZ1: 4,3 V 4,3 V Polarizado directamente VD2 : 0,6 V DZ2: 5,1 V - RD2 Real Ideal VZ VZ

22. Montaje 2 a realizar: Limitador 1k Generador de funciones: VG VZ 5,1 V Onda Cuadrada 10V, 1kHz Este circuito es similar al anterior aunque en este caso, la tensión utilizada tiene una forma de onda cuadrada. Obténganse simultáneamente en el osciloscopio las tensiones VG y VZ

23. Obtención de la curva característica de un diodo El osciloscopio muestra normalmente una forma de onda en la que el eje X representa tiempo y el eje Y representa voltios. Sin embargo, también puede funcionar en un modo “especial” denominado XY. En este caso, ambos ejes representan voltios con lo que la forma de onda no tiene una componente temporal. Este modo de funcionamiento es muy útil para obtener las curvas características de los semiconductores. En este montaje vamos a obtener las curvas de varios diodos para poder compararlas. y Canal 2 X-Y Voltios x Canal 1 Voltios

24. Las curvas características de los semiconductores se representan en ejes corriente-tensión. Corriente VD ID Tensión Como ya sabemos, el osciloscopio únicamente representa tensión por lo que debemos implementar algún sistema para medir la corriente. El método más sencillo es mediante una resistencia ya que como también es sabido, la tensión en bornes de una resistencia es proporcional a la corriente que pasa a través de ella. Por tanto, si colocamos una resistencia en serie con el diodo y medimos la tensión en sus bornes obtendremos una forma de onda proporcional a la forma de onda de la corriente. Evidentemente, la constante de proporcionalidad es el valor de la resistencia. VR VR= R·IR IR

25. ! Montaje 3 a realizar: Curva característica del diodo Generador de funciones: ID VG VD : Canal 1 Senoide 10V, 1kHz Masa común !! VR = -k·ID VR : Canal 2 X-Y Canal 2 k·ID Hay que invertir el canal 2 VD Canal 1

26. PRÁCTICA 3 Guión: • Funcionamiento de la fuente de alimentación • Corriente inversa de los diodos • Efecto de la temperatura • Uso de un LED como fotodiodo • Uso de un LED como célula solar

27. Fuente de alimentación Este equipo tiene tres fuentes de alimentación: 1 de alterna y dos de continua. La de alterna no se utilizará en estas prácticas Voltímetro Fuente de alterna Selectores de visualización Cursor Fuente 0 V-10 V Fuente ±15 V

28. Fuente de alimentación Las fuentes de tensión están activas PERMANENTEMENTE. Los selectores de visualización simplemente conectan el voltímetro a una fuente o a otra para poder ver su valor de tensión. Cada una de las fuentes tiene un cursor para poder ajustar la tensión al valor deseado. Una de las fuentes puede tomar valores comprendidos entre 0 V y 10 V. La otra es una fuente simétrica y puede tomar valores entre 0 V y ±15 V. Conector de seguridad conectado a la carcasa !! 0 - + - + 0-15 V 0-10 V 0-15 V

29. Montaje 1: Corriente inversa de un diodo El objetivo del montaje es observar la corriente inversa en un diodo real. Para ello vamos a realizar el siguiente montaje: AA119. R= 1M 1N4007. R= 10M 11DQ10. R= 10M IS Fuente de tensión 10 V 100 nF R VR = R·IS Como se puede observar, el diodo está polarizado inversamente y por tanto, la corriente que circulará a través de él será únicamente la corriente de polarización inversa (IS). Como es sabido, esta corriente es muy pequeña y por tanto, la resistencia a utilizar para poder observar un valor de tensión razonable debe tener un valor bastante grande (M). El condensador de 100 nF en paralelo se utiliza para filtrar ruidos captados por el montaje y que no se atenúan debidos al elevado valor de la resistencia.

30. Montaje 2: Efecto de la temperatura sobre la corriente inversa Objetivo: Con este montaje se pretende ver cómo influyen los cambios de temperatura en la corriente de polarización inversa de varios diodos. Para ello utilizaremos el montaje anterior y calentaremos el diodo acercándole una fuente de calor. En este caso, utilizaremos una resistencia de potencia conectada directamente a una fuente de tensión. La potencia eléctrica disipada en la resistencia se convierte en calor. Fuente de tensión 1 Fuente de tensión 2 IS 10 10 V 5 V 100 nF R VR = R·IS AA119. R= 1M 1N4007. R= 10M 11DQ10. R= 10M Diodos

31. Montaje 3: Funcionamiento de un LED como fotodiodo Objetivo: Con este montaje se pretende observar una característica peculiar de los diodos LED. Estos son diodos emisores de luz; sin embargo, al haber un camino directo entre el exterior (iluminado) y el material semiconductor, se produce un efecto curioso que es el funcionamiento del LED como fotodiodo. Fuente de tensión 1 Fuente de tensión 2 LED 10 V 3 V 100 nF R Bombilla Al realizar el montaje de la figura observaremos que al acercar la bombilla al LED la tensión en la resistencia aumenta. Esto es debido a que el LED se muestra sensible a la luz y su corriente inversa aumenta.

32. Montaje 4: Funcionamiento de un LED como célula solar Objetivo: Con este montaje se pretende observar el comportamiento “simétrico al anterior”, es decir, el funcionamiento como célula solar. En este caso, observaremos cómo al iluminar el LED éste se convierte en un GENERADOR de energía. Al iluminarlo con la bombilla podremos observar una cierta tensión en bornes de la resistencia. Nótese que en la parte izquierda del circuito de la figura no hay absolutamente ninguna fuente de energía y sin embargo, aparece una tensión en bornes de la resistencia. Fuente de tensión VR LED 3 V Bombilla

33. PRÁCTICA 4 Guión: • Montajes con transistores bipolares • Uso como amplificador del transistor

34. Montaje 1: Conexión directa de una bombilla al generador de funciones 7 50 Forma de onda: Cuadrada, 10 V, 2Hz Generador de funciones 1 V 10 V Al realizar el montaje anterior observaremos como a pesar de que el generador en vacío da la forma de onda adecuada, al conectarle la bombilla, ésta no se enciende. ¿Por qué? La clave está en la impedancia de salida del generador. Cualquier fuente real tiene una impedancia de salida. Idealmente esta impedancia debería ser nula, lo cual en la práctica es imposible. En este caso, la impedancia del generador es de 50 . La bombilla tiene un equivalente resistivo de unos 7  (en caliente). Si hacemos el cálculo veremos que la tensión en bornes de la bombilla es del orden de 1 V, lo cual no es suficiente para conseguir que luzca.

35. Montaje 2: Amplificación de la señal obtenida del generador Objetivo: Conseguir encender y apagar una bombilla al ritmo que marca el generador de funciones. Como hemos visto, no podemos conseguir este efecto conectando directamente la bombilla al generador. Por tanto, debemos amplificar la señal que sale del mismo. Para ello utilizaremos el montaje que se muestra en la figura. En este circuito, la señal del generador, que entra por la base del transistor es amplificada por éste. Fuente de tensión 3.6 V 100 BD 139 Forma de onda: Cuadrada, 10 V, 2Hz

36. Montaje 3: Transmisión de información por medios ópticos Objetivo: Conseguir mandar información digital entre dos circuitos utilizando la luz. Actualmente se está utilizando de forma muy extendida la fibra óptica para transmitir información digital mediante la luz. Con este montaje se pretende enviar información utilizando la luz mediante un circuito de transmisión muy rudimentario. Aprovecharemos el efecto visto en la práctica anterior y utilizaremos un LED como fotodiodo. Fuente de tensión 2 Fuente de tensión 1 BD 138 10 V 3.6 V 100 BD 139 10 k 100 k Forma de onda: Cuadrada, 10 V, 2Hz

37. PRÁCTICA 5 Guión: • Montajes con transistores bipolares • Operación en zona activa

38. Montaje 1: Transistor bipolar en zona activa Objetivo: Situar el punto de polarización de un transistor en zona activa. Para ello vamos a montar el circuito de la figura. Como se puede observar, el transistor tiene en colector una carga fija con lo que simplemente cambiando la corriente de base debe ser posible hacer que opere en zona activa. Esto se logra actuando sobre el potenciómetro del circuito de base. Fuente de tensión 1k 470 k 10 V IB VCE 10 k

39. Transistor bipolar en zona activa RPOT: IC 470 k 10 k IB 1k 10V 10V Saturación IC 10V/1k Cambiando el valor de la corriente de base podemos pasar de saturación a zona activa IB1 Recta de carga (es fija en este caso) IB2 IB3 10V VCE Zona Activa

40. Montaje 2: Paso de saturación a zona activa Objetivo: Conseguir que un transistor bipolar pase alternativamente de saturación a zona activa. Como se puede observar, el transistor T1 tiene una corriente de base fija (10V/100k). Sin embargo, tiene en el colector un condensador que irá cambiando de tensión. T2 tiene ese mismo condensador en colector y su corriente de base la controlaremos mediante el generador de funciones. T1: BD138 10V 10k 100k V1 100nF T2: BD139 VG Forma de onda cuadrada. 1kHz, Tensión variable Mostrar simultáneamente en el osciloscopio las tensiones V1 y VG

41. PRÁCTICA 6 Guión: • Montajes con transistores bipolares • Circuitos para mejorar la conmutación • Construcción de una célula de memoria

42. Montaje 1: Conmutación de un transistor bipolar Objetivo: Comprobar cómo el manejo de la corriente de base es crítico en la conmutación del transistor. Se realizarán 4 montajes para comprobar como diferentes circuitos de base obtienen diferentes comportamientos. El circuito menos eficiente es el que se muestra en la siguiente figura. En este caso, el diodo impide que haya corriente saliente por la base del transistor, lo que equivale a dejarla al aire. Observar simultáneamente las tensiones V1 y VCE para ver el retraso entre la orden de corte dada por el generador y el corte efectivo de la corriente de colector. 1k 5V 1N4148 10k VCE 5V, 20 kHz V1

43. Formas de onda del circuito V1 5 V VCE Corte 5 V Saturación Saturación Instante en el que el bipolar entra en corte Retraso Sin embargo, el transistor no reacciona hasta este instante Idealmente el transistor dejaría de conducir en este punto

44. Montaje 2: Conmutación de un transistor bipolar Con este circuito se permite la circulación de corriente negativa por la base del transistor. Esto facilita la extracción de portadores minoritarios de la base y por tanto agiliza la conmutación de conducción a corte. 1k 5V 10k VCE 5V, 20 kHz V1

45. Montaje 3: Mejora de la conmutación de un transistor bipolar En este circuito se ha añadido un condensador en el circuito de base con el fin de imponer una tensión negativa en la unión base-emisor en el momento del corte. De esta forma se facilita la polarización inversa de la unión y por tanto el corte se produce más rápidamente. Este circuito es interesante cuando no se dispone de una tensión negativa para el manejo del transistor. 1k 4.7nF 5V 0-5V, 20 kHz VCE 4.7k 4.7k V1

46. Montaje 3: Mejora de la conmutación de un transistor bipolar. Antisaturación El circuito que se muestra en la figura es un circuito de anti-saturación. El diodo de germanio colocado en paralelo con la unión colector-base hace que el transistor no pueda en ningún caso trabajar en una zona de fuerte saturación, ya que lo impide el bajo valor de la tensión de codo del diodo de germanio (menor que la tensión de codo de las uniones de silicio). De esta forma, al no estar el transistor totalmente saturado, la salida de conducción es mucho más rápida. 1k AA119 5V VCE 10k V1 5V, 20 kHz

47. Montaje 4: Célula de memoria construida a base de transistores. Objetivo: Construir una célula de memoria utilizando transistores bipolares. Dado que el transistor bipolar puede operar en distintas zonas, es posible construir una célula de memoria que mantenga un bit de información o, lo que es lo mismo, que pueda permanecer en saturación o corte de forma indefinida. Cada uno de estos dos estados simbolizará un “1” lógico o un “0” lógico. 1k 1k 10k 10 V “0” lógico “1” lógico 10k Actuadores para grabar un “1” o un “0”: Cortocircuitando el contacto grabamos la información. Aunque soltemos el actuador, la información se mantiene: MEMORIA.

48. PRÁCTICA 7 Guión: • Montajes con MOSFET • Manejo de la puerta de un MOSFET • Driver para MOSFETs • Inversor digital con tecnología MOSFET

49. Montaje 1: Manejo de la puerta de un MOSFET Objetivo: Ver como el manejo de la tensión puerta-fuente de un MOSFET afecta significativamente a su funcionamiento. Para ello, enviaremos pulsos a la puerta del MOSFET desde el generador de funciones, interponiendo entre ambos un potenciómetro. Al observar simultáneamente los pulsos del generador y la tensión drenador-fuente veremos como al aumentar la resistencia se deteriora la conmutación del MOSFET. Si a continuación colocamos un condensador en paralelo con la puerta, veremos como la conmutación empeora aún más. 1k 1k 15 V 15 V 10 V, 5kHz 10 V, 5kHz 1k 1k VDS VDS VG VG 10nF

50. Montaje 2: Driver para un MOSFET Objetivo: Montar un circuito que consiga manejar eficientemente la puerta del MOSFET (driver). Para ello se monta un circuito con transistores bipolares como el de la figura (etapa complementaria). Este driver amplifica la corriente de la señal del generador consiguiendo cargar y descargar la capacidad de puerta del MOSFET adecuadamente. 15 V 1k BD139 15 V 1k VDS 10 V, 5kHz VD VG 10nF BD138