Rectificacion y Filtrado

 

RESUMEN: Un rectificador es un circuito constituido fundamentalmente por diodos y permite convertir cantidades de CA a cantidades de CD (corriente directa pulsante). Esto, como consecuencia de la unidireccionalidad del diodo para conducir (polarización directa). Ya se ha estudiado cómo una corriente alterna (CA) puede ser transformada en corriente continua pulsante por medio de los circuitos rectificadores de onda completa y media onda; sin embargo, esta corriente corriente no puede ser utilizada en circuitos que se energizan con corriente continua (CC). Para ello, deben ser alisados los rizos o crestas. Esta acción, denominada filtrado, se logra utilizando elementos (individuales o en conjuntos) denominados filtros. Los condensadores, las bobinas de choque (o simplemente choque) y resistencias son elementos de filtro. La eficacia de un condensador como filtro está relacionada con su capacidad y su reactancia: mientras mayor mayor sea la capacidad mayor será el efecto de filtrado. E En n el caso de las bobinas de choque, la acción del filtrado depende de su inductancia. inductancia. Existen diferentes montajes de filtro o redes de filtro. Entre ellos se tienen los filtros activos y los pasivos. Los primeros están formados por resistencias, condensadores y bobinas; los segundos están constituidos por transistores y amplificadores operacionales, entre otros. Dentro de los pasivos y para la función de convertir corriente continua pulsante en directa, se encuentran: filtro de entrada por condensador, filtro de entrada por choque, filtro pi con condensadores y choque (CLC), filtro pi con condensadores y resistencias (CRC). En el presente laboratorio sólo se mostrarán el filtro de entrada por condensador; esto porque sólo se trabajará a bajas tensiones, en donde estos tipos de filtros son más adecuados y económicos.

OBJETIVOS:   Determinar la señal de rectificación de media onda.    Determinar la señal de rectificación de onda completa.    Determinar la señal de rizado para el filtrado de una rectificación de media onda.    Determinar la señal de rizado para el filtrado de una rectificación de onda

completa. 

 

FUNDAMENTO TEÓRICO

Rectificador de Media Onda En el circuito que se muestra en la Figura 1, de acuerdo con la colocación del diodo, los medios ciclos positivos de la tensión alterna polarizan al diodo en paso fácil, produciéndose a través de la resistencia de carga (RQ ) una conducción casi total de la corriente.

Figura 1.circuito rectificador de media onda

Al polarizarse el diodo en paso difícil por la llegada del medio ciclo negativo, no habrá casi conducción. La Figura 1b muestra la corriente total en R Q   y pueden observarse los medios ciclos positivos y nulos, siendo el valor medio positivo (no cero, como en el caso de la corriente sinusoidal). El circuito que a su salida produce una onda como la mencionada anteriormente se denomina rectificador de media onda.

  

Cuando la tensión es positiva (intervalo directa, y conducirá la corriente (caída de 0.7 V).

), el diodo se encuentra polarizado en

Cuando la tensión es negativa, el diodo se polariza inversamente, no dejando pasar corriente. En este intervalo el diodo soporta la tensión inversa impuesta por la entrada. Aplicando la 2ª Ley de Kirchhoff, a los dos casos anteriores, se obtiene:   En directa, prácticamente la caída de tensión de la alimentación está en bornes de

la carga.

  En inversa, la caída de tensión la acapara el diodo por no circular corriente.

 

 

Figura 2: (a) a la izquierda izquierda el diagrama del Circuito, (b) (b) Al centro Tensión de la fuente en función del tiempo, (c) A la derecha Tensión de la carga en función del tiempo.

La tensión de entrada es senoidal según:

   

 

(1)

El valor medio de la tensión V0(dc) se obtiene realizando la integral:

        ∫    ∫      

(2)

La corriente media para una carga resistiva R, se obtiene por la Ley de Ohm.

El valor de la tensión eficaz (rms) será:

  √  ∫    

 

(3)

La frecuencia de salida es igual a la de entrada

Rectificador de Onda Completa con transformador de toma central

Un rectificador de onda completa es el que se muestra en la Figura 3, el cual tiene una configuración simple.

 

 

Figura 3. Circuito rectificador de onda completa con transformador de toma central En este caso, el transformador tiene sus arrollamientos devanados para que no haya inversión de fase. Cuando la señal aplicada al primario tiende al ciclo positivo, la parte superior del secundario resulta positiva y la inferior negativa. El diodo superior (A) queda polarizado directamente y conduce, pero el diodo inferior (B) se encuentra en paso difícil y no conduce. Durante los semiciclos negativos de la señal de entrada, el diodo “B” queda polarizado directamente y conduce, pero el “A” está polarizado inversamente y no conduce. La corriente que circula por la carga es del mismo sentido. En la Figura 3, las ondas muestran que cuando un diodo es conductor para los portadores mayoritarios, el otro lo es para los minoritarios. Por lo tanto, la corriente minoritaria se resta de la mayoritaria. En condiciones normales, la corriente inversa es tan pequeña que puede despreciarse.

Los rectificadores son empleados en la mayoría de los sistemas electrónicos, especialmente en los equipos de comunicaciones (TV, radio, transmisiones, computadores, etc.). Son de gran rendimiento y tienen la posibilidad de proporcionar una gran gama de tensiones con corrientes moderadas. Se utilizan mucho en la carga de baterías porque no hay peligro de que se sature el núcleo del transformador.

Consiste en dos rectificadores de media onda con fuentes de tensión desfasadas 180º. El transformador aísla (respecto de tierra) a la carga de la corriente alterna de entrada. Durante el ciclo positivo, conduce el diodo A; durante el ciclo negativo, el diodo B conduce rectificando la señal.

 

Voltaje medio o de continua:

  

 

(4) 

Frecuencia de salida

   

 

(5)

Figura 4.Rectificación de onda completa con 2 diodos. (a) En la parte superior s uperior esquema del circuito. (b) En la parte inferior la salida de la onda completa rectificada.

Rectificador de Onda Completa con puente de diodos Un sistema de cuatro diodos dispuestos en forma de puente y orientados como se muestra en la Figura 5, permite mejorar el proceso de rectificación.

 

 

Figura 5. Rectificación de onda completa con puente de diodos. A la salida del circuito se obtiene una onda que consta de consecutivos medios ciclos positivos, siendo su valor medio positivo y mayor que en el rectificador de media onda. Este sistema, constituido fundamentalmente por cuatro diodos, se denomina rectificador de onda completa tipo puente y, en él, la frecuencia de las variaciones de la onda rectificada y el voltaje de salida resulta casi el doble de la onda original. Se puede observar en la Figura 90a que durante los medios ciclos positivos conducen los diodos D1 y D3, mientras que en los medios ciclos negativos lo hacen D2 y D4, siendo siempre la misma la dirección de la corriente que circula por RQ . Ciclo positivo de la entrada, los diodos A y B conducen. Ciclo negativo de la entrada, los diodos D y C conducen.

Figura 6. Seguimiento de la rectificación de la onda con puente de diodos.

 

Valor medio

  

 

(6) 

Frecuencia de salida  

(7)

    La configuración en Puente ofrece las l as siguientes ventajas:   El valor del condensador para un cierto rizado, es la mitad; con lo cual se reduce el

tamaño y el precio del sistema.   La corriente soportada por cada diodo es aproximadamente la mitad que para el

de media onda, reduciendo así el espacio ocupado por los diodos y el coste del diseño.

Fuente de alimentación no regulada con filtro de condensador 

El C siempre se pone en paralelo con la l a R L. El circuito y las gráficas son las siguientes:

Figura 7. Fuente de alimentación no regulada con filtro de condensador.

 

 

Es parecido al anterior, cambia el valor de i T. Conducen D1 y D3 en positivo y conducen D 2  y D4 en el semiciclo negativo. En el transformadorr el mismo bobinado sufre la transformado intensidad, entonces tiene que soportar toda la intensidad, pero a veces hacia arriba y otras hacia abajo. Hay que diseñar el arrollamiento del hilo del secundario para que aguanten esos picos positivos y negativos. Para el condensador sigue sirviendo lo visto anteriormente: La única diferencia está en la iT y la VIP (tensión inversa de pico). La tensión inversa de pico (VIP) solo tiene que aguantar VP2  y no el doble de este valor como en el caso anterior.

Figura 8. Pasos de la rectificación de una onda senoidal. MATERIALES E INSTRUMENTOS: Los materiales e instrumentos utilizados en la siguiente practica se muestra a continuación en la tabla 1. CANT.

1 1 1 1 1 1 1 1

MATERIALES E INSTRUMENTOS Osciloscopio Digital Fuente de Alimentación Variable. Multimetro, Diodos 1N4007 Resistencia 1K ohm Resistencia 100 ohm Puente de diodos Condensador 470uF

47uF 1 1: Condensador Tabla Materiales e instrumentos utilizados.

 

DISEÑO EXPERIMENTAL: La presente práctica consta de 4 esquemas experimentales bien definidos, los cuales se muestran a continuación:

Esquema experimental N°01: En este experimento con ayuda de un diodo buscara rectificar media onda, del total de la onda completa; donde el diseño experimental a construir se muestra q continuación en la figura 09.

Figura 9. Esquema experimental 01.

Esquema experimental N°02: En esta parte con ayuda de dos diodos se rectificara la onda completa, pero esta vez se considerara la toma central de la fuente de alimentación; tal como se muestra el diseño experimental en la figura 10.

 

 

Figura 10. Esquema experimental 02.

Esquema experimental N°03: Esta vez usaremos el puente de diodos para rectificar la onda completa en vez de los diodos como en el caso anterior; tal como lo muestro el diseño esperimental en la figura 11.

Figura 11. Esquema experimental 03.

 

Esquema experimental N°04: En esta parte de la práctica filtraremos la onda completa del esquema experimental experimental N°03, para ello incluiremos uno de los condensadores electrolíticos

de forma

paralela a la carga, teniendo en cuenta la polaridad de este, tal como lo muestra la figura 12.

Figura 12. Esquema experimental 04.

RECOLECCION DE DATOS:

Los datos recogidos para los experimentos 1,2,3 se muestran en la tabla 2, y los datos recogidos para el experimento 4, se muestran en la tabla 3, a continuación respectivamente:

 

 

RL[ohm] Vpp.[V]

Vrms. (AC)[V]

Vmedio (DC)[v]

Exp.01 1K 9.4 4.4 2.8 Exp.02 1K 9.4 6.2 5.6 Exp.03 1K 8.6 5.6 5.0 Tabla 2. Datos experimentales 1,2 y 3.

RL[ohm]

   4    0    °    N    o    t    n    e    m    i    r    e    p    x    E

C[uF]

Vpp.[V] Vrms. (DC) [V]

Vrms Vmedio (AC)[V] (DC) [V]

47

1.2

7.8

320

7.8

470

0.2

8.0

0.038

8.0

470

1.2

7.6

0.340

7.6

47

5.4

6.0

1.72

5.6

  1K

100

Tabla 3. Datos experimentales 4. ANALISIS Y RESULTADOS: Esquema experimental N°01: Como se esperaba en esta parte del experimento se obtuvo la rectificación de media onda, la cual se muestra en la figura 13.

Figura 13: Rectificación de Media Onda

 

Esquema experimental N°02: Como se esperaba en esta parte del experimento se obtuvo la rectificación de la onda completa, la cual se muestra en la figura 14:

Figura 14: Rectificación de Onda Completa.

Esquema experimental N°03: Como se esperaba en esta parte del experimento se obtuvo la rectificación de la onda completa, al igual que en él experimento anterior, la cual se muestra en la figura 15:

Figura 15: Rectificación de Onda Completa. Esquema experimental N°04: Como se esperaba en esta parte del experimento se filtro la onda completa, la cual se muestra en la figura 16, con en nombre de los respectivos osciloscopios de la figura 12.

 

 

Figura 16: Filtracion de Onda Completa. CONCLUSIONES:   En la presente práctica se logro verificar que el diodo permite el paso de la

corriente si esta en polarización directa, de caso contrario lo bloquea, esto explica porque cuando usamos un diodo en el experimento 01, se rectifico la mitad de la onda.   Se observo que para rectificar una onda completa se debe usar dos diodos como

en el experimento 02 o también un puente de diodos que consta de un armazón de cuatro diodos.   Para la filtración de la onda, primeramente se debe de rectificar la onda completa

y luego con ayuda del condensador se logra la filtración, donde la calidad de la filtración dependerá del valor de la capacitancia, como se pudo observar, se obtuvo mejor filtración para valores elevados de la capacitancia.

BIBLIOGRAFIA:   Teoría de circuitos. Segunda edición. Lawrence P. Huelsman. Prentice-Hall

Hispanoamericana, S.A.   Circuitos eléctricos. Tercera edición. Joseph A. Edminister. Mahmood Nahvi. Mc Graw-Hill