Informe Final 4 de Circuitos Electronicos 1

PROFESOR:

Cuzcano Rivas Abilio

CURSO:

Circuitos Electrónicos I

TEMA:

Inf. Previo N° 4

 ALUMNOS:

Estela López Samir

16190052

UNMSM Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica EAP: Ingeniería Eléctrica

Lima, 08 de junio de 2018

EXPERIENCIA N°4 RECTIFICADORES, FILTROS Y MULTIPLICADORES DE TENSIÓN I.

OBJETIVOS: Estudiar el funcionamiento de los diferentes modelos de circuitos rectificadores, filtros y multiplicadores de tensión. Indicar las características de los circuitos a estudiar. Realizar el análisis teórico de los circuitos mostrados, dibujando las señales de salida respectivas. II. EQUIPOS Y MATERIALES:   Osciloscopio.   Multímetro. Generador de señales. Transformador con punto central. Diodos: 1N4004 (4) u otros equivalentes. 

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Resistores: 10kΩ, 1kΩ, 0.22kΩ, 0.1kΩ.

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Capacitores de 25v: 2200µF, 1000µF, 470µF y 100µF. Bobina de 1H.

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III.

INFORME PREVIO:

1. Definir los conceptos de rectificación, filtros y dobladores de tensión. A. RECTIFICACIÓN Circuito de rectificación de media onda: Es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna de entrada (Vi) convirtiéndola en corriente directa de salida (Vo). Es el circuito más sencillo que puede construirse con un diodo.  Análisis del circuito con diodo ideal Los diodos ideales, permiten el paso de toda la corriente en una única dirección, la correspondiente a la polarización directa, y no conducen cuando se polarizan inversamente. Además su voltaje es mayor a cero y la intensidad de la corriente puede fácilmente calcularse mediante la ley de Ohm: =/  Análisis del circuito con diodo real Polarización directa (Vi > 0): En este caso, el diodo permite el paso de la corriente sin restricción, provocando una caída de potencial que suele ser de 0,7 V. Este voltaje de 0,7 V se debe a que usualmente se utilizan diodos de silicio. En el caso del germanio, que es el segundo más usado el voltaje es de 0,3 V.  = − = −.  Polarización inversa (Vi < 0):  En este caso, el diodo no conduce, quedando el circuito abierto. La tensión de salida es nula, al igual que la intensidad de la corriente. = =

Tensión rectificada

Como acabamos de ver, la curva de transferencia, que relaciona las tensiones de entrada y salida, tiene dos tramos: para tensiones de entrada negativas la tensión de salida es nula, mientras que para entradas positivas, la tensión se reduce en 0.7 V. El resultado es que en la carga se ha eliminado la parte negativa de la señal de entrada. Circuito de rectificación de onda completa: Con Transformador con Derivación Central Este tipo de rectificador necesita un transformador con derivación central. La derivación central es una conexión adicional en el bobinado secundario del transformador, que divide la tensión (voltaje) en este bobinado en dos voltajes iguales. Esta conexión adicional se pone a tierra. Durante el semi ciclo positivo de la tensión en corriente alterna (Vin-rojo) el diodo D1 conduce. La corriente pasa por la parte superior del secundario del transformador, por el diodo D1 por RL y termina en tierra. El diodo D2 no conduce pues está polarizado en inversa. Durante el semi ciclo negativo (Vin-azul) el diodo D2 conduce. La corriente pasa por la parte inferior del secundario del transformador, por el diodo D2 por RL y termina en tierra. El diodo D1 no conduce pues está polarizador en inversa. Ambos ciclos del voltaje de entrada son aprovechados y el voltaje de salida se verá como en el siguiente gráfico:

La rectificación de onda completa aprovecha los 2 semi ciclos de la señal alterna. Tensión de Rizado: Si a RL se le pone en paralelo un condensador, el voltaje de salida se verá como en la siguiente figura:

 A la variación del voltaje (Δv) en los terminales del condensador debido a la descarga

de este en la resistencia de carga se le llama tensión de rizado. En cada semi ciclo el transformador entrega corriente (a través de los diodos D1 y D2) al condensador C y a la resistencia RL, Esto sucede mientras las ondas aumentan su valor hasta llegar a su valor pico (valor máximo), pero cuando este valor desciende es el condensador el que entrega la corriente a la carga (se descarga). Si el capacitor es grande significa menos rizado, pero aun cumpliéndose esta condición, el rizado podría ser grande si la resistencia de carga es muy pequeña (corriente en la carga es grande). Nota: Hay que tomar en cuenta que el voltaje máximo que se podrá obtener dependerá del voltaje que haya entre uno de los terminales del secundario del transformador y el terminal de la derivación central. Con Puentes de diodos En este circuito el transformador es alimentado por una tensión en corriente alterna. Los diodos D1 y D3 son polarizados en directo en el semi ciclo positivo y la corriente atraviesa la resistencia de carga RL, mientras que los diodos D2 y D4 son polarizados en sentido inverso. El semi ciclo negativo, la polaridad del transformador es el inverso al caso anterior y los diodos D1 y D3 son polarizados en sentido inverso y D2 y D4 en sentido directo. La corriente como en el caso anterior también pasa por la carga RL en el mismo sentido que en el semi ciclo positivo. La salida tiene la forma de una onda rectificada completa, al igual que el circuito con derivación central. Esta salida es pulsante y para "aplanarla" se pone un condensador (capacitor) en paralelo con la carga. Este capacitor se carga a la tensión máxima y se descargará por RL mientras que la tensión de salida del secundario del transformador disminuye a cero voltios, y el ciclo se repite. La presencia de un condensador mejora la salida del circuito rectificador.

B. LOS FILTROS Se basan en la propiedad de almacenamiento de energía que ofrecen los componentes reactivos, esto es, los condensadores y las bobinas. Los tipos más sencillos y utilizados son los siguientes: Filtro con condensador:  Este tipo de filtros tan solo precisa de la colocación de un condensador de gran capacidad entre el diodo (o diodos) encargado de rectificar la CA y la salida de la misma hacia la carga (o circuito) a alimentar (Rc). Debido a las constantes de tiempo asociadas a las resistencias a través de las que se realizan las secuencias sucesivas de carga y descarga del condensador se obtiene una salida de forma bastante más "plana" que la señal que obtenemos en la salida de una etapa rectificadora. Filtro en pi: En la ilustración correspondiente podemos observar cómo se configura en la práctica un filtro de este tipo. Como vemos, la denominación "pi" se debe a la forma que se obtiene en el esquema que representa el citado filtro. La resistencia, junto al par de condensadores, muestra la mencionada " ". Su funcionamiento intenta proteger al diodo D de los posibles picos de intensidad debidos a una carga excesivamente brusca.  Ahora se vuelve a filtrar la resistencia R y el condensador C2 la señal obtenida ya en el tipo de filtro anterior, con lo que conseguimos atenuar aún más las oscilaciones de la tensión que llega a la carga (Rc). C. DOBLADORES DE TENSIÓN Es un circuito electrónico que carga los condensadores de la tensión de entrada y los interruptores de los cargos de tal manera que, en el caso ideal, exactamente el doble que se produce la tensión en la salida como en su entrada. El más simple de estos circuitos es una forma de rectificador que tienen un voltaje de corriente alterna como entrada y salida una tensión continua doble. Los elementos de conmutación son simples diodos y se ven obligados a cambiar el estado sólo por la tensión alterna de la entrada. DC a los dobladores de voltaje de DC no se puede cambiar de esta manera y requieren de un circuito de conducción para controlar la conmutación. Con frecuencia se requieren también un elemento de conmutación que se puede controlar directamente, como un transistor , en lugar de depender de la tensión en el conmutador como en el caso sencillo de CA a CC.

Los dobladores de voltaje de una gran variedad de  multiplicador de tensión del circuito. Muchos (no todos) los circuitos doblador de tensión puede ser visto como una única etapa de un multiplicador de orden superior: en cascada etapas idénticas en conjunto logra una multiplicación de tensión mayor.

 2. Definir las pr incipales c aracterís ticas en los dis eños de rectific adores y filtros .

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RECTIFICADORES: En electrónica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio (actualmente en desuso). Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando sólo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados. El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media onda, constituido por un único diodo entre la fuente de alimentación alterna y la carga. FILTROS: Con independencia de la realización concreta del filtro, salvo que debe ser lineal, (analógico, digital o mecánico) su forma de comportarse se describe por su  función de transferencia. Ésta determina la forma en que la señal aplicada cambia en amplitud y en fase, para cada frecuencia, al atravesar el filtro. La función de transferencia elegida tipifica el filtro. Algunos filtros habituales son:

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

Filtro de Butterworth, con una banda de paso suave y un corte agudo. Filtro de Chebyshev, con un corte agudo pero con una banda de paso con ondulaciones. Filtros elípticos o filtro de Cauer, que consiguen una zona de transición más abrupta que los anteriores a costa de oscilaciones en todas sus bandas. Filtro de Bessel, que, en el caso de ser analógico, aseguran una variación de fase constante.

IV.

PROCEDIMIENTO:

1. Implementar el circuito de la figura 4.1.

a) Observar y medir las tensiones de entrada y salida en fase correcta, anotando los datos en la tabla 4.1. b) Con RL = 1kΩ, invertir el diodo. Luego proceda igual que en el paso (a). haga lo mismo para el caso de R L = 0,1kΩ.

Tabla 4.1 Práctico

RL=10kΩ

Multisim RL=1kΩ

RL=0,1kΩ

Vi(rms)

12

12

12

Vopp

16.4

16.3

16,2

Vo DC

5.141

5,085

5,023

Io DC

0.515m

5,085m

5,0m

RL=10kΩ

RL=1kΩ

RL=0,1kΩ

c) Grafique lo encontrado en los pasos anteriores, graficando la entrada versus la salida para los tres casos mencionados.

RL=10kΩ

RL=1kΩ

RL=0,1kΩ

2. Implementar el circuito de la figura 4.3. 3.

a) Observar y medir las tensiones de entrada y salida, anotando los datos en la tabla 4.2. b) Desconectando la alimentación de entrada, descargar el condensador. Luego conectar una carga RL = 1kΩ en paralelo con RB. proceda como en el paso (a). c) Reemplazar el condensador de 1000µF, por otros de 2200µF y 100µF respectivamente. Llene los datos de la tabla 4.2.

Tabla 4.2

VS(rms) Vopp Vo(rms) Vo DC Io DC VS(rms) Vopp Vo(rms) Vo DC Io DC

C1 = 1000µF Sin RL RL = 1kΩ 12 12 24.3m 264m 7.36m 80.0m 0 16.035 1.62m 0.018

C1 = 2200µF Sin RL RL = 1kΩ 12 12 11.0m 120m 3.35m 36.4m 0 16.062 1.62m 0.018

C1 = 100µF Sin RL RL = 1kΩ 12 12 242m 2.46 73.4m 731m 0 15.04 1.616m 0.017

d) Grafique la tensión de salida Vo con respecto a V S, correspondiente a cada uno de los 3 casos anteriores.

C1 = 1000µF

C1 = 2200µF

C1 = 100µF

4. Implementar el circuito de la figura 4.7.

a) Llenar la tabla 4.5, observando las ondas de entrada y salida para las diferentes cargas que se presentan en dicha tabla. b) Colocar un capacitor de 100µF en paralelo con RL = 1kΩ. observar y anotar los resultados. Esto correspondiente a un filtro RC. c) Reemplazar RL del circuito mostrado en la parte superior de la figura 4.7 por el circuito mostrado en la parte inferior de dicha figura. Luego llene la tabla 4.5. esto correspondiente a un filtro CLC:

Tabla 4.5 Sin C VS(rms) Vo DC Vr  (riz)

RL 1 KΩ 6.52 9.541

Sin C

0.1KΩ

0.22KΩ

6.51 9.309

6.51 9.391

RL 1 KΩ

VS(rms) Vo DC Vr  (riz)

Filtro RC

0.1KΩ

6.01 15.052 314m

Filtro RC 0.22KΩ

Filtro CLC 6 15.308 1.05m Filtro CLC

d) Grafique la tensión de salida Vo con respecto a V S, correspondiente a cada uno de los 5 casos anteriores. R = 1kΩ

R = 0,1kΩ

R = 0,22kΩ

Con RC

Con CLC

5. Implementar el circuito de la figura 4.9.

a) Observar y medir las tensiones de entrada y salida, llenando los datos en la tabla 4.6.

Tabla 4.6

Vo DC Vr VC1 VC2

Multisim RL=1kΩ RL=10kΩ 29.91 32.222 1.15 145m 14.165 16.073 15.742 16.15

Práctico RL=1kΩ RL=10kΩ

b) Grafique la tensión de salida V o con respecto a V S, correspondiente a cada uno de los 2 casos anteriores.

R=1K

R=10K

6. Implementar el circuito de la figura 4.11.

a) Observar y medir las tensiones de entrada y salida, llenando los datos en la tabla 4.7.

Tabla 4.7 Práctico Multisim RL=1kΩ RL=10kΩ RL=1kΩ RL=10kΩ 44.59 48.313 Vo DC 440m 49.2m Vr  15.632 16.136 VC1 30.778 32.235 VC2 28.742 32.177 VC3 b) Grafique la tensión de salida Vo con respecto a V S, correspondiente a cada uno de los 2 casos anteriores. R=1k R=10k

CUESTIONARIO: 1. Presentar los resultados obtenidos en forma ordenada, indicando el tipo de circuito y las observaciones correspondientes. Los resultados se encuentran en la parte de procedimiento. 2. Explicar las diferencias y/o coincidencias obtenidas entre los rectificadores de las figuras 4.1, 4.5 y 4.7. El circuito de la figura 4.5,  es un rectificador de onda completa con derivación central. Los rectificadores de onda completa permiten convertir la totalidad de la forma de onda de entrada en una polaridad constante (positiva o negativa) en la salida, mediante la inversión de las porciones (semiciclo) negativas (o positivas) de la forma de onda de entrada. Las porciones po sitivas (o negativas) se combinan con las inversas de las negativas (positivas) para producir una forma de onda parcialmente positiva (negativa). Este tipo de circuito a diferencia del anterior permite aprovechar la energía de los semiciclo negativo, al igual que el rectificador de onda completa tipo puente. Este tipo de circuito permitió superar el inconveniente de los rectificadores tipo puente de que no existe una referencia común de tensión (masa circuital) entre la fuente y la carga, resultando ambas flotantes.

Circuito rectificador de Onda Completa Tipo Puente. En el circuito de la figura 4.7, al igual que el anterior es un rectificador de onda completa, ambos permiten el aprovechamiento total de la señal de entrada. Este rectificador puente tiene una desventaja ya que no tiene una salida común entre la fuente y la carga. Las diferencias se dan debido a la cantidad de diodos usados En el segundo caso se usan dos diodos pero para hacer una rectificación se requiere de un divisor de tensión que también reduce el valor del voltaje de salida el cual no es muy alto pero mayor al anterior. Para el tercer caso se usan 4 diodos lo cual implica mayor costo pero la eficacia del voltaje de salida es mayor ya que casi se mantiene e l mismo voltaje de entrada en la rectificación lo cual hace que sea más usado. 3. Explicar y verificar las fórmulas de rizado para los filtros utilizados en la práctica, relacionándolos con las ventajas y desventajas entre ellos. El factor de rizo de un voltaje se define como:

=

        ñ     ñ

El cual se puede expresar como:

=

 () 

Como la componente de voltaje de CA de una señal que contiene un nivel de CD es:

VCA = v - VCD El valor rms del componente de CA es:

Donde V(rms) es el valor rms del voltaje total. Para la señal rectificada de media onda.

Para la señal rectificada de onda completa

VOLTAJE DE RIZO DE FILTRO DE CAPACITOR Suponiendo una aproximación de la forma de onda del rizo triangular como se muestra en la FIG., podemos escribir:

 =  −

 (  − ) 2

Durante la descarga del capacitor, el cambio de voltaje a través de C es:

 ( − ) =

  

Basados en la forma de onda triangular que aparece en la FIG.

 () =

 (  − ) 2√ 3

Utilizando los detalles de la forma de onda de la FIG: B1, se obtiene

Se puede escribir como:

 =

2 −  (  − ) 2

Podemos combinar las ecuaciones, para obtener

 =

   2

Luego resolvemos que para Vr(rms):

4. Explicar lo referente al doblador o triplicador de tensión utilizado en la práctica. Indicar sus usos.

Doblador de tensión: producen el doble de tensión en DC (corriente directa) de la que podría producir un rectificador común. Se puede n implementar de dos diferentes maneras: duplicadores de media onda y duplicadores de onda completa y en ambos casos la frecuencia de la tensión de rizado es la misma que la de la tensión de entrada. La tensión que se aplica sobre los  diodos, es el doble, por lo que estos deberán soportar el doble de tensión. La ventaja del duplicador de voltaje de media onda es que tiene una línea, que es común a la entrada y salida. Esta línea se puede tomar como común o tierra y se puede conectar al chasis o base metálica del equipo que se desea alimentar. El terminal de tierra o común debe estar bien identificado para no hacer una conexión invertida que puede tener consecuencias desagradables. Si se hiciera así, el chasis o base met álica del equipo estaría conectado al “+”.

CONCLUSIONES: 

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Como nuestro grupo trabajo con un condensador electrolítico debemos de tener mucho cuidado con la polaridad. Tener en cuenta las especificaciones de los diodos que estamos utilizando, para un buen desempeño en nuestras experiencias, y además tener en cuenta la correcta polarización. Lo primero que debemos de realizar es verificar que todos nuestros conectores estén en un buen estado, además tomar nuestros valores reales de todos nuestros dispositivos o elementos para tener en cuenta las variaciones que se puedan dar por ejemplo mediante una simulación con valores ideales.