Laboratorio 4, Diodo Zener y Amplificador Operacional

Laboratorio 4, Diodo Zener y Amplificador Operacional#

En esta guía se estudiará el diodo Zener como regulador de tensión, así como la aplicación de circuitos integrados con amplificadores operacionales para comprender el análisis de ancho de banda.

Objetivos#

Objetivo general#

Determinar las características \(I~vs.~V\) del diodo Zener, estudiar su aplicación en fuentes reguladas y analizar y diseñar circuitos con amplificadores operacionales en configuraciones básicas.

Objetivos específicos#

  • Comprobar de forma experimental el modelo característico del diodo Zener.

  • Diseñar fuentes de tensión constante bajo condiciones variables en la señal de entrada o en la carga.

  • Estudiar el funcionamiento de amplificadores operacionales en configuración de Inversor, No-Inversor y Sumador-Restador.

Instrumentos requeridos#

  • Entorno de simulación Qucs/ngspice.

  • Tranformador monofásico

  • Diodos referencia 1N4004 (referencia que debe ser usada también en las simulaciones)

  • Capacitores de diferentes valores.

  • Generador de señales

  • Osciloscopio de doble traza

  • Multímetro

  • Tres sondas

  • Fuente dual

  • Diodos Zener 1N4733, 1N4738

  • OP-AMP LM348, LM741 o LF353

Caracterización de un diodo Zener#

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Figura 15 Circuito de caracterización de un diodo Zener#

Cálculos#

Adquiera para la práctica un diodo Zener 1N4738. Asumiendo que \(V_{1} = V_{Z} + 10\,V\) , calcule para el circuito de la Figura 15, el valor de \(R_{1}\) de tal manera que cuando \(R_2 = 0\,\Omega\) la corriente en el diodo cumpla \(I_{z} < I_{z_{max}}\); y el valor de \(R_2\) de tal manera que cuando \(R_2 = R_{2max}\) la corriente en el diodo cumpla \(I_{z} \approx I_{z_{min}}\). Prestar atención a los cálculos de potencia disipada por las resistencias.

Simulación#

Simule el circuito mostrado en la Figura 15, y compruebe los cálculos realizados previamente, centrándose en la verificación del cumplimiento de lo valores extremos para la corriente a través del diodo Zener \(I_z\). ¿Estos valores se vieron afectados por la selección de valores comerciales?. Discuta lo encontrado.

A partir del mismo circuito de la Figura 15, obtenga en el simulador una curva que muestre la dependencia del valor de la corriente en el diodo (\(I_z\)) con respecto a las variaciones de la resistencia \(R_2\) (debe evidenciar la respuesta al variar \(R_2\) desde \(0 \Omega\) hasta un valor máximo establecido por usted). ¿Qué puede inferir a través de esta gráfica?, ¿Qué otras variables se pueden relacionar con esta curva?.

Realice una curva de \(I_d\) vs \(V_d\) y trace una recta tangente a ella en el valor de la corriente de prueba \(I_{Z_{0}}\) establecida por el fabricante. De esta manera, el corte de esta recta con el eje \(x\) determinará el valor de tensión de ruptura \(V_Z\) (puede ser necesario hallar la tendencia de la curva en el software de su preferencia, con el ánimo de usar métodos matemáticos para hallar la función de la recta tangente). ¿Cómo funciona el diodo Zener polarizado en directo y en inverso?

Montaje y procedimiento en la práctica#

  • Implemente el circuito de la Figura 15 en protoboard.

  • En el circuito de la Figura 15, varíe el potenciómetro \(R_{2}\) desde \(0~\Omega\) hasta su valor máximo, tome mediciones de la tensión y la corriente en el diodo para trazar su curva característica.

  • Trace una recta tangente a la curva obtenida en el valor de la corriente de prueba \(I_{Z0}\) establecida por el fabricante y determine el valor de tensión de ruptura \(V_Z\) como el corte de esta recta con el eje de abscisas.

  • Realice el procedimiento anterior para la curva obtenida en las simulaciones y determine el valor de tensión de ruptura \(V_Z\).

  • Calcule, usando respectivamente la corriente de prueba \(I_{Z_{0}}\), los valores de la resistencia dinámica para el diodo simulado y para el diodo utilizado en el laboratorio. Compare los resultados obtenidos con los descritos por el fabricante.

Circuito de fuente regulada por diodo Zener#

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Figura 16 Circuito de fuente regulada por diodo Zener#

Cálculos#

En el circuito de la Figura 16 , use la referencia 1N4733 para el diodo Zener (D1) y calcule el valor de \(R_{1}\) de tal manera que no se exceda la potencia máxima del diodo Zener (\(D_1\)) y que la tensión en la carga sea la indicada por el fabricante, teniendo en cuenta una variación en la fuente DC \(V_1\) con valores en el rango \(5 - 12 \ V\). Es importante que se incluyan cálculos de la potencia disipada por las resistencias en orden de acercarse a las posibles limitantes que se encontrarían en la ejecución en laboratorio. Además, para este ejercicio debe usar únicamente valores comerciales de resistencias y potencias de los mismos, razón por la cual debe sustentar la elección final hecha de dichos valores. Finalmente deberá sustentar con cálculos los valores de salida correspondientes a los dos voltajes extremos de entrada.

Simulación#

  • Para el circuito de la Figura 16 , realice la simulación obteniendo la curva de regulación de línea que evidencia el voltaje regulado de salida (\(V(R_2)\)) como función de la variación en el voltaje de entrada. ¿Cómo puede usted definir que está funcionando la mencionada regulación? Analice los resultados de esta curva.

  • A partir de la simulación anterior encuentre una curva simulada de la regulación de carga, que resulta evidenciar el voltaje de salida sobre la resistencia de carga \(V(R_2)\) como función del valor resistivo de la misma. Para esto debe variar el valor de \(R_2\) entre \(10\Omega\) y \(1K\Omega\). De nuevo analice los resultados encontrados, describa la capacidad de regulación de carga de su diseño y discuta las limitaciones del mismo. ¿Cuál porcentaje de tolerancia le otorgaría a cada uno de los diodos Zener trabajados?.

Montaje y procedimiento en la práctica#

  • Implemente el circuito de la Figura 16 protoboard.

  • En el circuito de la Figura 16 tome mediciones de la tensión de entrada \(V_{1}\) y de salida \(V_{O}\), y de la corriente suministrada por la fuente \(I_{1}\) y consumida por la carga \(I_{O}\) variando la tensión en la entrada en el rango de \(5 V\) a \(13 V\). Grafique la curva de regulación de línea y discuta la importancia de la misma.

  • Varíe el valor de la resistencia \(R_2\) entre \(10 \Omega ` y `1 K\Omega\). Grafique la curva de regulación de carga y describa la importancia de la misma, junto con el análisis de sus valores extremos.

Configuraciones de amplificadores operacionales#

  • Estudie el capítulo 5 sobre amplificadores operacionales del libro Fundamentos de circuitos eléctricos, Charles K Alexander, 5ta edición*.

  • Adquiera para la práctica un circuito integrado con amplificador operacional entre las referencias sugeridas e inspeccione la hoja de datos para emplearlo correctamente. Seleccione el valor de las resistencias del circuito no-inversor para obtener una salida de 12 \(V_{PP}\) cuando la señal de entrada es una senoidal de 3 \(V_{PP}\) y frecuencia \(1kHz\). Aplique una tensión de polarización \(V_{CC}\) adecuada teniendo en cuenta el valor máximo indicado en la hoja de datos.

  • Seleccione el valor de las resistencias del circuito inversor para obtener una salida de 2 \(V_{PP}\) cuando la señal de entrada es una senoidal de 1 \(V_{PP}\) y frecuencia \(1kHz\). Aplique una tensión de polarización \(V_{CC}\) adecuada teniendo en cuenta el valor máximo indicado en la hoja de datos.

  • Diseñe un sumador-restador que permita obtener una tensión de salida de 2,5 \(V_{P}\) cuando \(V_{in1}\) es una señal cuadrada de 2 \(V_{PP}\) a \(10kHz\) y \(V_{in2}\) es una señal cuadrada de 3 \(V_{PP}\) a \(10kHz\). Aplique una tensión de polarización \(V_{CC}\) adecuada teniendo en cuenta el valor máximo indicado en la hoja de datos. Verifique la función de transferencia.

Simulación#

  • Usando las configuraciones con amplificadores operaciones, simule la visualización de las señales de entrada y salida. ¿En qué consiste el principio de corto circuito virtual para amplificadores operacionales y qué importancia tiene en el funcionamiento de las configuraciones estudiadas en el taller? ¿Cómo puede evidenciar dicho corto dentro de las gráficas encontradas?

  • Para el circuito del amplificador no-inversor, cambie la tensión de polarización \(V_{CC}\) a \(9 V_{PP}\) y observe qué sucede con la tensión en la salida. ¿Qué limitaciones puede presentar en los amplificadores la tensión de polarización y a que se deben?. ¿Qué sucede al emplear polarización unipolar en los amplificadores operacionales?.

  • Para el circuito del amplificador inversor, utilice el simulador para calcular el ancho de banda y compárelo con el que aparece en la hoja de datos del amplificador operacional.

  • Repita el ítem anterior con los otros 2 amplificadores operaciones de diferente referencia. ¿Cómo afecta la frecuencia de la señal de entrada en el funcionamiento de los circuitos estudiados?.

  • Valide mediante simulación las funciones de transferencia de los circuitos con amplificadores operacionales diseñados a partir de las Figuras 3,4,5. Compare en la misma gráfica las funciones de entrada y salida. Apóyese enel modo XY para visualizar la relación entre las señales.

Montaje y procedimiento en la práctica#

  • Implemente los circuitos no-inversor, inversor y sumador con amplificadores operacionales de acuerdo con los cálculos realizados.

  • Usando la configuración de amplificador no-inversor visualice las señales de entrada y salida en el osciloscopio (Tomar valores y registrar formas de onda) y observe la relación entre las señales con ayuda del modo XY del osciloscopio. Compare el resultado obtenido con la simulación y ajuste la función de transferencia si es necesario.

  • Para el circuito del amplificador no-inversor, cambie la tensión de polarización \(V_{CC}\) a \(10 V_{PP}\) y explique qué sucede con la tensión en la salida.

  • Usando la configuración de amplificador inversor visualice las señales de entrada y salida en el osciloscopio, observe la relación entre las señales con ayuda del modo XY del osciloscopio. Compare el resultado obtenido con la simulación y ajuste la función de transferencia si es necesario.

  • Para el circuito del amplificador inversor, calcule experimentalmente el ancho de banda y compárelo con el calculado a partir de la hoja de datos del amplificador operacional.

Diseño de una fuente regulada#

Diseñe una fuente de tensión regulada con voltajes positivos y negativos con los requerimientos para el amplificador operacional de su elección haciendo uso de un transformador.

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Figura 17 Diseño de fuente regulada#

Diseño de un DAC#

Diseñe un DAC tipo escalera ponderada binaria.

Preguntas sugeridas#

  • ¿Cómo funciona el diodo Zener polarizado en directo y en inverso?

  • ¿Cuál porcentaje de tolerancia le otorgaría a cada uno de los diodos Zener trabajados? Especifique que usó para soportar su elección

  • ¿Qué limitaciones puede presentar en los amplificadores la tensión de polarización y a que se deben?

  • ¿Qué sucede al emplear polarización unipolar en los amplificadores operacionales?

  • ¿En qué consiste el principio de corto circuito virtual para amplificadores operacionales y qué importancia tiene en el funcionamiento de las configuraciones estudiadas en la práctica?

  • ¿Cómo afecta la frecuencia de la señal de entrada en el funcionamiento de los circuitos estudiados?

Evaluación#

Se evaluará el trabajo realizado durante la práctica y previo a esta de acuerdo con los criterios que defina el docente.

Referencias#

Para el desarrollo de esta práctica se sugiere consultar: