Download v - eLab: Remote Electronics Lab

eLab, Laboratorio Remoto de Electrónica
ITESM, Depto. de Ingeniería Eléctrica
PRÁCTICA PD3
CIRCUITOS RECTIFICADORES
OBJETIVOS
•
Mostrar la aplicación de diodos de tipo rectificador en circuitos rectificadores de media onda y
onda completa.
•
Analizar teóricamente y de forma experimental el funcionamiento de los circuitos rectificadores
anteriormente mencionados.
•
Realizar mediciones sobre circuitos rectificadores y comparar los resultados derivados de estas
acciones con los obtenidos mediante análisis teórico.
1.1 INTRODUCCIÓN
Una aplicación importante de los diodos en los circuitos electrónicos es la conversión de un
voltaje alterno (CA) en uno que esta limitado a una polaridad (CD), a este proceso se le conoce como
rectificación. Un ejemplo en donde se aplica la rectificación son las fuentes de poder de CD, las cuales
se utilizan para alimentar equipo electrónico. El diodo es útil para esta función debido a sus
características no lineales, esto significa que el diodo, en polarización directa, puede conducir corriente
en una dirección, pero al polarizarse inversamente, la corriente de conducción es prácticamente cero. El
proceso de rectificación se clasifica como de media onda o de onda completa, ambos procesos se
ilustran en la Figura 1.
vo (t )
Salida
Vs
Entrada
...
0
vs (t )
+
Vs
0
T
2T
-Vs
t
Circuito rectificador
+
vs (t )
vo (t )
-
-
T
t
2T
Voltaje rectificado de
media onda
vo (t )
Vs
...
Voltaje de CA
0
T
2T
t
Voltaje rectificado de onda
completa
Figura 1 Diagrama a bloques que ilustra el proceso de rectificación.
Rectificación de media onda.
Para convertir una señal de voltaje de AC en una señal de voltaje de CD se utiliza un simple
diodo de tipo rectificador. Esta aplicación se ilustra en la Figura 2, la cual representa un circuito
rectificador de media onda.
-1-
PD3 – Circuitos Rectificadores
+
vs
vi
RL
vo
-
-
Figura 2. Circuito rectificador de media onda
La entrada del circuito rectificador consta normalmente de un transformador de potencia, en el
cual la entrada es una señal de voltaje de CA y a la salida entrega un voltaje con la misma fase,
polaridad y forma, pero de diferente magnitud. El devanado primario conectado a la fuente de CA de
120 V (rms) tiene N1 espiras y el devanado secundario tiene N2 espiras. El valor del voltaje de salida
del transformador es dado por: vs = 120( N 2 / N1 ) = 120/N Volts (rms). La relación de vueltas del
transformador (N2/N1), designada comúnmente por (N), en este caso, se diseña para “reducir” el voltaje
de la línea de entrada hasta un valor que producirá un voltaje de salida de CD particular del
rectificador.
Cuando se aplica un voltaje de entrada positivo, vs > 0 , el diodo ideal se polariza directamente,
de tal forma que puede ser reemplazado por un corto circuito. Bajo esta condición el voltaje de salida
presente en el resistor será igual al voltaje aplicado al circuito, es decir: v0 = vs . Alternativamente,
cuando se aplica un voltaje negativo al circuito, vs < 0 , el diodo ideal se polariza inversamente, de tal
forma que puede ser reemplazado por un circuito abierto. En este caso, la corriente que circula por el
circuito será cero y el voltaje en las terminales del resistor también será cero, v0 = 0 V. En la Figura 1
se muestran las formas de onda para los voltajes de entrada y salida respectivamente. Observe que
mientras la señal de entrada vi alterna en polaridad y tiene un valor promedio en el tiempo de cero, el
voltaje de salida vo es unidireccional y tiene un valor promedio diferente de cero. La señal de entrada es
en consecuencia rectificada. La operación de este circuito no es eficiente ya que durante la mitad de
cada ciclo la señal de entrada es completamente bloqueada en la salida.
Rectificación de onda completa
Como se puede observar en la Figura 1, la diferencia entre un rectificador de media onda y uno
de onda completa es que este último transfiere energía a la salida durante ambas mitades de la señal de
entrada senoidal. Debido a esto, el circuito rectificador de onda completa duplica el voltaje promedio
en su salida en comparación al que entrega un circuito rectificador de media onda. Un ejemplo de un
circuito rectificador de onda completa se muestra en la Figura 3. Observe que en este circuito se utiliza
un transformador de potencia con derivación central en el secundario, lo que proporciona dos salidas de
voltaje vs con las polaridades indicadas.
D1
vi
+
vs
-
RL
+
vs
-
D2
vo
-
Figura 3 Ejemplo de un circuito rectificador de onda completa
-2-
PD3 – Circuitos Rectificadores
La Figura 4 muestra las formas de onda de salida para este circuito (suponiendo que vs sea una
señal de voltaje senoidal), en ella se indican los semiciclos de señal en que los diodos D1 y D2 se
encuentran en conducción.
vo
Vs
0
...
D1
D2
D1
D2
D1
encendido
encendido
encendido
encendido
encendido
T
2
3T
2
T
t
2T
Figura 4 Formas de onda de salida para el rectificador de onda completa
Puente Rectificador
Otro ejemplo de un circuito rectificador de onda completa se ilustra en la Figura 5, este circuito
se denomina puente rectificador. Observe que se utilizan cuatro diodos, en comparación con sólo dos
en el circuito rectificador de onda completa mostrado en la Figura 3. Observe también, que éste circuito
no requiere de un transformador con un devanado secundario con derivación central. En el circuito
rectificador de la Figura 3, la derivación central sirve como retorno común, y el voltaje en la carga es la
mitad del voltaje presente en el secundario del transformador. Si se utiliza el mismo transformador para
el rectificador en puente, entonces el voltaje de salida será el doble que el que proporciona el
rectificador de onda completa de dos diodos mostrado en la Figura 3.
N:1
vi
+
vs
1
3
2
4
-
+
RL
vo
-
Figura 5 Rectificador de onda completa en puente
Bibliografía
Libro de Texto:
• Microelectronics; Circuit Analysis and Design (Chapter 2)
Donal A. Neamen, McGraw Hill, 3rd Edition, 2007
Libros de Consulta:
• Electronic Devices (Chapter 1)
Thomas L. Floyd, Prentice Hall, 6th Edition, 2002
• Electronic Circuits; Analysis, Simulation, and Design (Chapter 3)
Norbert R. Malik, Prentice Hall, 1995
• Electronic Devices and Circuits (Chapter 1 and 2)
Robert T. Paynter, Prentice Hall, 7th Edition, 2006
-3-
PD3 – Circuitos Rectificadores
1.2 ACTIVIDAD PREVIA
Instrucciones
Siga detalladamente las instrucciones para cada uno de los puntos que se presentan a
continuación. Conteste y/o resuelva lo que se le pide en los espacios correspondientes para cada
pregunta. Hágalo de manera ordenada y clara. En el reporte agregue en el espacio asignado gráficas
comparativas, análisis de circuitos, simulaciones en computadora, ecuaciones, cálculos, etc., según sea
el caso.
No olvide colocar una portada con sus datos de identificación así como los datos relacionados
con la práctica en cuestión, como número de práctica, titulo, fecha, etc.
Desarrollo de la actividad previa
I) Lea detenidamente el capitulo 2 de su libro de texto (Circuitos con diodos), y en los libros de
consulta, el material relacionado con circuitos rectificadores, y conteste lo siguiente:
• Explique en que consiste el proceso de rectificación (aplicado a circuitos electrónicos) y ¿Cuál
es la importancia del diodo en este proceso?
_____________________________________________________________________________
____________________________________________________________
•
Describa tres aplicaciones practicas de los circuitos rectificadores
1._________________________________________________________________________
2._________________________________________________________________________
3._________________________________________________________________________
•
¿Cuáles son las principales funciones del transformador en los circuitos rectificadores?
_____________________________________________________________________________
____________________________________________________________
•
Considerando despreciables las pérdidas en el transformador de la figura, determine las
ecuaciones que relacionan los voltajes, corrientes e impedancias en el primario y secundario en
función de la relación de vueltas N2 y N1.
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________
i1
+
Z1
i2
N1 : N2
+
Z2
v1
v2
-
-
Figura 6 Representación de un transformador ideal
-4-
PD3 – Circuitos Rectificadores
•
Para los circuitos rectificadores que se ilustran en las Figuras 2, 3 y 5 suponga que el voltaje
total en el secundario del transformador tiene un valor efectivo (voltaje RMS) de 12 V. Dibuje
las formas de onda de voltaje en la carga e indique su valor máximo, para los 3 tipos de
rectificadores. Determine en cada caso el voltaje máximo de polarización inversa (PIV - Voltaje
de Pico Inverso) en las terminales del diodo. Obtenga la expresión matemática que permita
calcular el voltaje promedio en la carga para cada rectificador. Considerando diodos de silicio
realice sus análisis en los siguientes espacios.
-5-
PD3 – Circuitos Rectificadores
1.3 PROCEDIMIENTO
En esta sección se analizará primeramente el funcionamiento de un transformador el cual forma
parte de los diferentes circuitos rectificadores de media onda y onda completa. Una vez entendido el
funcionamiento del transformador, enseguida se analizan por separado cada uno los tres tipos de
rectificadores. Este análisis se llevara a cabo realizando mediciones de voltaje y corriente a través de la
interfase gráfica del Laboratorio Remoto de Electrónica (eLab). Entre otras cosas, se medirán formas
de onda de voltaje, así como los valores efectivos y promedios de voltaje. Se determinará también el
efecto del voltaje de polarización de los diodos sobre el voltaje en la carga para cada uno de los
rectificadores.
Nota: Para cada una de las mediciones y/o cálculos efectuados se deben agregar siempre las unidades
respectivas, por ejemplo: para mediciones de voltaje utilizar V, mV, V (rms), etc; para las de corriente
A, mA, A (rms), etc; para frecuencia utilizar Hz o rad/s, según el caso.
I) Circuito con transformador
A continuación se presenta el procedimiento que servirá de guía durante el análisis del circuito
con transformador que se ilustra en la Figura 9.
vs
-
vi
+
Gnd
vs
-
Figura 9 Circuito con transformador.
a) Análisis del primario. Mida la forma de onda de voltaje en el primario del transformador y anéxela
en el siguiente recuadro:
(Agregue aquí la forma de onda del osciloscopio para el voltaje en el primario del transformador)
b) Observe la forma de onda anterior y mida el valor del voltaje pico (voltaje máximo).
Voltaje pico en el primario
Vpico=
-6-
PD3 – Circuitos Rectificadores
c) A partir del voltaje pico, calcule analíticamente el valor efectivo (eficaz o rms) en el primario del
transformador.
Voltaje efectivo (rms) en el Vrms =
primario del transformador,
d) Realice las mediciones adecuadas y a partir de ellas obtenga la frecuencia de la señal de voltaje
presente en el primario del transformador.
Frecuencia en el primario
fprimario=
e) Análisis del secundario. Realice las mismas mediciones y cálculos analíticos de los incisos (a), (b),
(c) y (d), pero ahora aplicados en el secundario del transformador, anote sus resultados en los siguientes
recuadros:
Forma de onda de voltaje en el secundario del transformador.
(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en el secundario del transformador)
Voltaje pico en el secundario del V =
pico
transformador
Voltaje efectivo (rms) en el Vs=
secundario del transformador
Frecuencia en el secundario del
transformador.
fsecundario=
f) Análisis del secundario con respecto a la derivación central. Mida la forma de onda de voltaje en
los dos devanados parciales del secundario del transformador. La medición la debe efectuar con
respecto a la derivación central, según la Figura 9. Anexe las formas de onda en el siguiente recuadro:
-7-
PD3 – Circuitos Rectificadores
(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en los dos devanados parciales del secundario del
transformador)
g) Observe las formas de onda anteriores y mida el valor de voltaje pico (voltaje máximo).
Voltaje pico en el secundario del transformador
con respecto a la derivación central.
Vpico1 =
Vpico2 =
h) A partir del voltaje pico medido en el inciso anterior, calcule analíticamente el valor efectivo (eficaz
o rms) en el secundario del transformador (con respecto a la derivación central). Anote estas
mediciones en la casilla “Resultado de la medición”.
1er devanado parcial
Voltaje efectivo (rms) en el Vs =
secundario del transformador con
respecto a la derivación central.
2do devanado parcial
Vs =
i) Compare estas últimas mediciones del voltaje efectivo con las obtenidas en el inciso e. A
continuación proporcione una explicación que justifique estos resultados:
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
__________________________________________________________
j) Calculo de la relación de vueltas N. Utilizando los valores de las mediciones de voltaje efectivo,
tanto en el primario como en el secundario, determine la relación de vueltas del transformador.
Relación de vueltas del transformador.
N=
II) Circuito rectificador de media onda
A continuación se presenta el procedimiento para llevar a cabo las mediciones de voltaje y
corriente para el circuito rectificador de media onda que se ilustra en la Figura 10.
-8-
PD3 – Circuitos Rectificadores
vs
vi
RL=
-
Figura 10 Circuito rectificador de media onda
a) Análisis del diodo. Empleando la instrumentación del eLab mida la forma de onda de voltaje
presente en las terminales del diodo. Anexe esta forma de onda en el siguiente recuadro.
(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en las terminales del diodo)
b) Para la forma de onda anterior, realice las siguientes mediciones:
Voltaje de pico inverso del diodo.
Voltaje de conducción en el diodo.
VPIV =
VD =
c) Análisis en la carga RL. Mida la forma de onda de voltaje (vo) en la carga RL y anéxela en el
siguiente recuadro:
(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en la carga RL )
d) Observe la forma de onda anterior y mida el valor de voltaje pico (valor máximo).
Voltaje pico en la carga RL.
Vmax=
-9-
PD3 – Circuitos Rectificadores
e) Con la medición del voltaje pico anterior, calcule analíticamente la corriente pico en la carga RL.
Corriente pico en la carga RL.
Imax =
f) A partir de la medición del voltaje pico, calcule el valor promedio o de CD para la señal de voltaje en
la carga RL.
Valor promedio o de CD para el V =
DC
voltaje vo en la carga RL.
g) Calcule analíticamente el valor promedio de la señal de corriente en la carga RL. Para ello, utilice el
voltaje VDC obtenido en el punto anterior.
Valor de la corriente promedio en I =
DC
la carga RL.
h) Realice las mediciones adecuadas en la señal de voltaje en la carga y a partir de ellas obtenga su
frecuencia.
Frecuencia de la señal de voltaje,
vo, en la carga.
f RL =
i) Utilizando la definición matemática de valor efectivo (eficaz o rms). Calcule, a partir de la forma de
onda de voltaje, el valor efectivo del voltaje en la carga RL.
Voltaje efectivo en la carga RL
Veff (en RL) =
III) Circuito rectificador de onda completa
A continuación se presenta el procedimiento para llevar a cabo las mediciones de voltaje y
corriente para el circuito rectificador de onda completa que se ilustra en la Figura 11.
D1
vi
+
vs
- Gnd
RL =
+
vs
-
D2
vo
-
Figura 11 Circuito rectificador de onda completa.
a) Análisis de los diodos. Mida la forma de onda de voltaje presente en las terminales de los diodos D1
y D2. Observe detenidamente estas formas de onda. A continuación, anexe las formas de onda en el
siguiente recuadro y realice las mediciones que se indican más adelante.
- 10 -
PD3 – Circuitos Rectificadores
(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en las terminales del diodo D1 o D2)
b) Para la forma de onda anterior, realice las siguientes mediciones:
Valor de voltaje de pico inverso en VPIV=
las terminales del diodo.
Voltaje de conducción en el diodo.
VD=
•
En relación al voltaje de pico inverso obtenido en esta última medición, ¿esta usted seguro que el
diodo empleado puede soportar este voltaje en sus terminales? Suponga ahora que este voltaje se
incrementa por un factor de 10, debido a una falla del transformador ¿Soportará el diodo este
incremento? Justifique sus respuestas.
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
______________________________________________________
c) Análisis en la carga RL. Mida la forma de onda de voltaje (vo) en la carga RL y anéxela en el
siguiente recuadro:
(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en la carga RL )
d) Observe la forma de onda anterior y mida el valor de voltaje pico (valor máximo).
Valor de voltaje pico en la carga RL.
VM=
e) Con la medición del voltaje pico anterior, calcule analíticamente la corriente pico en la carga RL.
Corriente pico en la carga RL.
IM=
f) A partir de la medición del voltaje pico, calcule el valor promedio o de CD para la señal de voltaje en
la carga RL.
- 11 -
PD3 – Circuitos Rectificadores
Valor promedio o de CD para el V =
DC
voltaje vo en la carga.
g) Calcule analíticamente el valor promedio de la señal de corriente en la carga RL. Para ello, utilice el
voltaje VDC obtenido en el punto anterior.
Corriente promedio en la carga.
IDC=
h) Realice las mediciones adecuadas en la señal de voltaje en la carga y a partir de ellas obtenga su
frecuencia.
Frecuencia para la señal de voltaje,
vo, en la carga.
f RL =
i) Utilizando la definición matemática de valor efectivo (eficaz o rms). Calcule, a partir de la forma de
onda de voltaje, el valor efectivo del voltaje en la carga RL.
Voltaje efectivo en la carga RL
Veff (en RL) =
IV) Circuito rectificador de onda completa en puente
A continuación se presenta el procedimiento para llevar a cabo las mediciones de voltaje y
corriente para el circuito rectificador de onda completa en puente que se ilustra en la Figura 12.
2
N:1
vi
+
vs
-
D1
D3
D2
D4
3
+
RL=680 Ω
1
vo
-
Figura 12 Circuito rectificador de onda completa en puente
a) Análisis de los diodos. Mida la forma de onda de voltaje presente en las terminales de los diodos
D1, D2, D3 y D4. Compare detenidamente estas formas de onda y observe que salvo por el
desfasamiento en el tiempo estas son iguales. Enseguida seleccione una de ellas y anéxela en el
siguiente recuadro.
(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en las terminales del diodo
seleccionado)
- 12 -
PD3 – Circuitos Rectificadores
b) Para la forma de onda anterior, realice las siguientes mediciones:
Valor de voltaje de pico inverso en VPIV=
las terminales del diodo.
Voltaje de conducción en el diodo.
VD=
c) Análisis en la carga RL. Mida la forma de onda de voltaje (vo) en la carga RL y anéxela en el
siguiente recuadro:
(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en la carga RL )
d) Observe la forma de onda anterior y mida el valor de voltaje pico (valor máximo).
Voltaje pico en la carga RL.
Vmax =
e) Con la medición del voltaje pico anterior, calcule analíticamente la corriente pico en la carga RL.
Corriente pico en la carga RL.
Imax =
f) Calcule, a partir de la medición del voltaje pico, el valor promedio o de CD para la señal de voltaje
en la carga RL.
Valor promedio o de CD para el VDC=
voltaje vo en la carga.
g) Calcule analíticamente el valor promedio de la señal de corriente en la carga RL. Para ello, utilice el
voltaje VDC obtenido en el punto anterior.
Valor de la corriente promedio en la IDC=
carga RL.
h) Utilizando la definición matemática de valor efectivo (eficaz o rms). Calcule, a partir de la forma de
onda de voltaje, el valor efectivo del voltaje en la carga RL.
Voltaje efectivo en la carga RL
Veff (en RL) =
- 13 -
PD3 – Circuitos Rectificadores
1.4 ACTIVIDADES Y CONCLUSIONES FINALES
1) Para cada circuito rectificador, compare el voltaje de conducción y el voltaje de pico inverso en las
terminales de los diodos. Complete la siguiente tabla.
Tipo de circuito
Rectificador de media onda
Rect. de onda completa
Puente Rectificador
Voltaje de conducción
VD=
VD=
VD=
Voltaje de pico inverso
VPIV=
VPIV=
VPIV=
2) Explique el efecto del voltaje de conducción de cada diodo en el voltaje de salida del rectificador.
Además, explique si es posible ignorar el efecto de dicho voltaje.
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
__________________________________________________________
3) Explique el comportamiento que presenta el voltaje de pico inverso en cada circuito rectificador.
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
__________________________________________________________
4) Compare los valores efectivos de voltaje en el primario y secundario del transformador con los
medidos en la carga para cada circuito rectificador. También, para cada circuito rectificador, compare
los valores de voltaje promedio obtenidos en la carga. Complete las siguientes tablas.
Voltaje efectivo en el primario del transformador
vi=
Voltaje efectivo en el secundario del transformador
vs=
Tipo de circuito
Rectificador de media onda
Rectificador de onda completa
Rectificador de onda completa en puente
Voltaje promedio en la
carga
VDC=
VDC=
VDC=
Voltaje efectivo en la
carga
Veff en RL =
Veff en RL =
Veff en RL =
5) En base a las tablas anteriores, proporcione una explicación para el comportamiento de los valores
efectivos de voltaje medidos en el primario del transformador, en su secundario y en la carga RL.
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________
6) Observe la tabla anterior e indique ¿cual rectificador es el que proporciona el mayor voltaje de CD?
___________________________________________________________________________
7) Utilizando los resultados obtenidos directamente de las mediciones. Calcule la potencia promedio o
de CD que disipa la carga RL. Calcule también su potencia máxima (presente en un instante de tiempo
específico). Realice lo anterior para cada circuito rectificador. Indique además en el espacio
correspondiente la ecuación o ecuaciones utilizadas para el cálculo de ambas potencias:
- 14 -
PD3 – Circuitos Rectificadores
Formulas para el cálculo de las
potencias.
Tipo de circuito
Potencia de CD
disipada por la carga
PDC=
PDC=
PDC=
Rectificador de media onda
Rectificador de onda completa
Rectificador de onda completa en puente
Potencia máxima
disipada por la carga
Pmax=
Pmax=
Pmax=
8) En base a la tabla anterior ¿que tipo de rectificador es el que proporciona una mayor potencia a la
carga? Justifique su respuesta.
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
__________________________________________________________
9) Anote enseguida sus conclusiones generales de la presente práctica:
___________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________
__________________________________________________________
- 15 -