2016495 Informe Laboratorio N° 4

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Facultad de Ingeniería. Electrónica Análoga.
1
El diodo en rectificadores de media onda,
onda completa y fuentes no reguladas por
filtro de condensador.
Boyacá. Yeison; Rosas. Jhonatan; Sierra, Michel.
[email protected]; [email protected]; [email protected]
Abstract — Diode as electronic element
presents a variation of other elements used up to
now in the practices, the diode is a nonlinear
semiconductor element, its structure or
composition often varies by the type of material
which is manufactured: these materials are silicon
and germanium. For the development of the
practice, diode is used in various circuits of
analogue electronics and where they usually are
located because the functionality that comply on
these circuits, the half-wave rectification and full
wave becomes important in the field of electronic
analogue and especially in the development of
amplifiers.
Along the document will see: through graphics
and simulations the function of a diode inside
circuits such as: half-wave rectifier and full wave
rectifier.
Key words —Capacitor, Diode, Rectifier, Wave.
Resumen — El diodo como elemento electrónico
presenta una variación del resto de elementos
utilizados en las prácticas; el diodo es un elemento
semiconductor no lineal, su estructura o
composición varía frecuentemente por el tipo de
material en el que se encuentra fabricado: estos
materiales suelen ser Silicio y Germanio. Para el
desarrollo de la práctica se utilizará el diodo en
varios circuitos comunes de electrónica análoga y
donde generalmente se localizan debido a la
funcionalidad que cumplen en estos circuitos, la
rectificación de media onda y onda completa se
vuelve importante en el campo de la electrónica
análoga y especialmente en el desarrollo de
amplificadores.
A lo largo del documento podrá observar
mediante gráficas y simulaciones la función de un
diodo dentro de circuitos como: rectificador de
media onda y rectificador de onda completa.
Palabras clave — Condensador, Diodo, Onda,
Rectificador.
I.
Introducción
L
OS diodos como elementos manejados en las
prácticas anteriores tenían una característica
fundamental, se destacaban por ser elementos
lineales, o sea su comportamiento en términos de
aplicación de corriente y tensión son proporcionales a
las aplicaciones de estos mismos. En esta oportunidad
se manejó el elemento no lineal más utilizado y
reconocido en la electrónica, el diodo.
El diodo como elemento no lineal tiene un
comportamiento propio a su fabricación, este posee
unas características acordes a él y sus aplicaciones
son masivas, dentro de estas se destacaran dos
aplicaciones que se desarrollaran a lo largo de la
práctica y anteriormente diseñadas y simuladas.
Las aplicaciones del diodo tienen múltiples
utilidades, mediante las dos aplicaciones: rectificador
de media onda y rectificador de onda completa, se
observara como se pueden manipular señales
generalmente sinusoidales ayudados de diodos y
condensadores, otro elemento electrónico lineal y
capaz de almacenar energía por un periodo de tiempo.
II. Marco teórico
1.
Transformador
Se denomina transformador a un dispositivo
eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión
en un circuito eléctrico de corriente alterna,
manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al
equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es,
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sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida.
Las
máquinas reales presentan un pequeño
porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y
tamaño, entre otros factores.
Figura 2, Rectificador de media onda [3]
3.
Figura 1, Transformador [1]
El transformador es un dispositivo que convierte
la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de
tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión,
basándose en el fenómeno de la inducción
electromagnética. Está constituido por dos bobinas
de material conductor, devanadas sobre un núcleo
cerrado de material ferromagnético, pero aisladas
entre sí eléctricamente. La única conexión entre las
bobinas la constituye el flujo magnético común que
se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es
fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de
acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el
flujo magnético. Las bobinas o devanados se
denominan
primario
y
secundario
según
correspondan a la entrada o salida del sistema en
cuestión, respectivamente. También existen
transformadores con más devanados; en este caso,
puede existir un devanado "terciario", de menor
tensión que el secundario. [2]
2.
Rectificador de media onda
El rectificador de media onda es un circuito
empleado para eliminar la parte negativa o positiva
de una señal de corriente alterna de lleno conducen
cuando se polarizan inversamente. Además su voltaje
es positivo.
Rectificador de onda completa
Un rectificador de onda completa es un circuito
empleado para convertir una señal de corriente
alterna de entrada (Vi) en corriente continua de salida
(Vo) pulsante. A diferencia del rectificador de media
onda, en este caso, la parte negativa de la señal se
convierte en positiva o bien la parte positiva de la
señal se convertirá en negativa, según se necesite una
señal positiva o negativa de corriente continua.
Durante el semiciclo positivo de la tensión de la red,
los diodos D1 y D3 conducen, esto da lugar a un
semiciclo positivo en la resistencia de carga. Los
diodos D2 y D4 conducen durante el semiciclo
negativo, lo que produce otro semiciclo positivo en la
resistencia de carga. El resultado es una señal de onda
completa en la resistencia de carga.
Figura 3, Rectificador de onda completa [4]
III. Metodología
 Para poder desarrollar la práctica número 4, se
realizaron las debidas consultas para familiarizarse
con los términos y elementos a conocer.
 Buscando la facilidad de llevar a término la
práctica, se realizaron tanto las simulaciones como
los montajes de los diferentes circuitos propuestos
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en la guía, además de la conexión necesaria para 
usar el transformador con su respectivo fusible.
 La práctica estaba diseñada para realizarse en una
sola parte,
consistía en las mediciones de
diferenciales de potenciales de los circuitos
montados y diseñados previamente a la clase.
 El desarrollo de la práctica requirió de los siguientes
materiales:
o 1 Osciloscopio de 2 Canales.
o 1 Generador de señales con resistencia de
salida de 50Ω.
o 1 Multímetro digital.
o 1 Fuente DC.
o 3 Sondas.
o Fusibles de 1 A.
o Portafusibles.
o Conectores caimán- caimán.
o Conectores banana-caimán.
o Diodos 1N4004.
o 4 Resistencias de 100Ω a 5W.
o Condensador de 1000 µF a 60 V.
o Transformador con tap central y salidas de 6V,
con corriente no mayor a 1A.
3
Por último el cuarto circuito (rectificador de onda
completa en puente con salida filtrada por
condensador) tiene las mismas características que el
tercer circuito, solo que a este se le agrega un
condensador en paralelo a la carga para tratar de
mantener la tensión en la salida lo más constante
posible, se conecta con el transformador y se
procede a tomar las mediciones de tensión DC y
corriente en la carga, por último se mirara la forma
de onda de la señal de tensión de rizado presente en
el condensador y se comparara con los datos
obtenidos en la simulación.
 En esta parte del procedimiento (mediciones) se
tomaron evidencias de las salidas para demostrar
que se verificaron cada uno de los montajes.
IV. Circuitos
Circuito rectificador de media onda:
El valor de la resistencia de carga se calculó con
la siguiente ecuación de malla:
−𝑉𝑆 + 𝑉𝐷 + 𝑅 ∗ 𝑖 = 0



Se comenzó conectando la salida del secundario del
transformador un porta fusible con un fusible de 1
amperio al primer circuito (Rectificador de media
onda) que consta de un diodo en serie con una
resistencia, luego se procede a conectar el
osciloscopio en paralelo a la resistencia de carga
para observar la forma de onda de la señal de salida
y por último se coloca el multímetro en paralelo con
la carga para tomar los valores de la tensión DC, la
tensión RMS y compararlos con los obtenidos
analíticamente.
Luego seguimos con el segundo circuito
(rectificador de onda completa) que consta de dos
diodos conectado en serie con los fusibles y las
salidas del secundario del transformador, unidas
con la resistencia que está conectada al tap central
del transformador; conectamos el osciloscopio a la
resistencia de carga para mirar la forma de onda de
la señal. Luego se conecta el multímetro para hacer
toma de las tensiones en la carga y comparar con los
resultados obtenidos anteriormente.
Ahora tenemos el tercer circuito (rectificador de
onda completa en puente) que consta de un puente
de diodos conectado a la salida del transformador y
está en paralelo con la resistencia de carga, luego
procedemos a alimentar el circuito, tomar datos de
señal de onda, tensiones DC y RMS sobre la carga
para mirar que diferencias tiene con el circuito
anterior.
Donde VS es la tensión en uno de los devanados
secundarios del transformador, VD es la tensión del
diodo cuando este está en polarización directa, y R*i
es la tensión en la resistencia, según las
especificaciones de la práctica la corriente i no debe
superar el 50% de la corriente nominal
del
transformador, o sea que esta no debe ser mayor de
0.5 A, por lo cual se busca un valor de resistencia que
genere una corriente menor a 0.5 A, así:
−𝑉𝑆 + 𝑉𝐷 + 𝑅 ∗ 𝑖 = 0 [Ecuación 1]
−12√2 + 0.7 + 𝑅𝑖 = 0
𝑖=
12√2 − 0.7
< 0.5 [𝐴]
𝑅
𝑅 > 32.54 Ω
Por lo anterior una resistencia de 100Ω, es
adecuada; luego se calculó la potencia disipada de
dicha resistencia, en base al cálculo de la corriente
que fluye por esta:
12√2 − 0.7
= 0.163 [𝐴]
100
2
2
𝑊 = 𝑅 ∗ 𝑖 = (0.163) ∗ 100 = 2.66[𝑊]
𝑖=
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Por lo tanto se realizó el montaje con una
resistencia de 100Ω a 5W.
4
Circuito rectificador de onda completa con puente de
diodos
Para el diseño del circuito mostrado en la
simulación, se utilizaron 4 diodos 1N4004, uno de los
devanados secundarios del transformador, y el valor
de la resistencia se calculó de la siguiente ecuación,
teniendo en cuenta que en cada ciclo de la señal se
activan dos diodos:
Simulación
−𝑉𝑆 + 𝑉𝐷1 + 𝑉𝐷2 + 𝑅 ∗ 𝑖 = 0
−12√2 + 0.7 + 𝑅𝑖 + 0.7 = 0
𝑖=
12√2 − 1.4
< 0.5 [𝐴]
𝑅
𝑅 > 31.14 Ω
Señal de salida
Al igual que para el diseño de los circuitos
anteriores, la resistencia que se escogió fue de 100Ω
y su potencia disipada se calculó como sigue:
Circuito rectificador de onda completa
Para el diseño del circuito rectificador de onda
completa mostrado en la siguiente simulación, se
utilizaron los dos devanados secundarios del
transformador, diodos 1N4004, los cálculos para la
resistencia y la potencia de la misma son los
expuestos en la ecuación 1. Resistencia de 100Ω a
5W.
12√2 − 1.4
= 0.156 [𝐴]
100
2
2
𝑊 = 𝑅 ∗ 𝑖 = (0.156) ∗ 100 = 2.43[𝑊]
𝑖=
Simulación
Simulación
Señal de salida
Fuente no regulada: salida filtrada por condensador
Señal de salida
Se utilizó un circuito similar al circuito anterior a
diferencia de que en este circuito como se puede
evidenciar en la simulación se le agrega un
condensador en paralelo a la resistencia, se utilizó la
misma resistencia de los circuitos anteriores; para
determinar el valor del condensador se buscó cuyo
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valor fuera accesible en el mercado y de una
capacitancia tal que permitiera observar la tensión de
rizado, como el voltaje máximo entregado por el
transformador es de 12VRMS o 24VRMS, si se utiliza
uno
o
los
dos
devanados
secundarios,
respectivamente; era más fácil y mas económico
encontrar un condensador con una tensión máxima
pequeña, por lo cual se escogió uno a 25V máximo,
por lo cual el diseño del circuito se realizo utilizando
un solo devanado del transformador.
Como se tendría una tensión máxima dada por el
condensador de 12VRMS, para que se pudiese apreciar
una tensión de rizado de 1.3V, entonces según lo
anterior el valor C del condensador está dado por:
𝐶=
Gráfica 1. Medición de señal de salida circuito
rectificador media onda.
𝑉𝑝
12√2 − 1.4
=
= 1000𝜇𝐹
𝑉𝑅 ∗ 𝑓 ∗ 𝑅 1.3 ∗ 120 ∗ 100
Simulación
Gráfica 2. Medición de señal de salida circuito
rectificador de onda completa.
Señal de salida
V. Tablas y resultados
Utilizando el generador de señales y osciloscopio
se realizaron las debidas conexiones a los circuitos
montados en la protoboard, de donde se obtuvieron
los siguientes resultados:
Gráfica 3. Medición de señal de salida circuito
rectificador de onda completa con puente.
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Gráfica 4. Medición de señal de salida circuito
rectificador de onda completa con puente y filtro de
condensador.
Durante el proceso experimental se obtuvieron los
siguientes datos:
Simulación
Medidas
Simulación
Medidas
Voltaje
DC
RMS
5.18V
8.14V
5.80V
9.44V
5.18V
8.14V
5.80V
6.60V
Simulación
9.91V
Medidas
Simulación
Medidas
Rizado
10.78V
12,60V
9.91V
11.01V
15.87V
16.00V
≈ 0.9V
Rectificador
Media
onda
Onda
completa
Onda
completa
con puente
Fuente no
regulada
11.01V
VI. Respuestas a las preguntas
sugeridas
¿Cómo se modifica la salida de voltaje al poner en
serie el diodo en el rectificador de media onda?
La señal de salida es modificada al ser eliminado
el semiciclo negativo de la señal de entrada, por lo
tanto la rectificación se dice que es de media onda
debido a que el diodo conectado de esta forma (serie
al circuito) en el semiciclo positivo está conectado
en estado directo o sea conduce mientras en el
semiciclo negativo se encuentra en inverso, significa
que se comporta como un circuito abierto e impide el
paso de corriente, produciendo que la tensión sea
igual a cero voltios.
¿Cuál es la diferencia entre los dos tipos de
rectificador de onda completa?
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Una de las diferencias más importantes es que
aunque la forma de onda de salida sean iguales el
circuito rectificador de onda completa con puente
entrega más diferencial de potencial como lo
demostramos en los cálculos y las mediciones,
además de ello se afirma que la potencia entregada es
mayor debido al aprovechamiento que se da gracias a
no tener que llegar a utilizar los dos bobinados (o dos
tensiones iguales pero desfasadas) y en cambio
aprovechar la utilización de una sola tensión que
aunque es de mayor valor favorece en la salida del
circuito.
¿Cómo afecta la carga al comportamiento del
rectificador?
En el caso de los circuitos rectificadores se hace
ideal que la carga sea una resistencia nula para tener
así en la salida el voltaje máximo pero como dichos
ideales no se cumplen en la realidad cuando se
encuentre una carga conectada la señal de salida
tendrá una caída de tensión proporcional a la misma
carga que se conecte a dicho circuito, por ello es
fundamental en el momento de realizar los cálculos
contemplar la caída de tensión al conectar la carga
que necesitamos interconectar para que ninguna parte
de los rectificadores o elementos se vea afectado con
la variación de valores ya sea de tensiones , potencias
o demás.
¿Cómo funciona el filtro por condensador para el
circuito propuesto?
Cuando la señal de salida se empieza a notar en
el circuito rectificador el condensador empieza a
cargarse o almacenar energía hasta aproximadamente
el voltaje pico, luego de ello la señal de entrada es de
carga más negativa respecto a la tensión del
condensador por esto se empezara a descargar a
través de la carga, hasta el momento en que la carga
deje de ser negativa y sea positiva, en ese preciso
instante el condensador volverá a empezar a cargarse.
Por ello el condensador en este tipo de circuitos se
considera un filtro pasa bajo, ya que podemos
amortiguar la onda mientras el ciclo permanente de
carga y descarga.
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¿Cómo podría usted mejorar el diseño de la fuente no
regulada?
El diseño de la fuente no regulada se puede
mejorar comprendiendo que el objetivo final de la
fuente es obtener una señal de tipo corriente continua
(CC) de tal manera se podrá analizar que dicho
efecto se logra si disminuye el valor del rizado, este
valor se reduce cuando hacemos que el valor de la
capacitancia sea mayor hasta el establecido por ahora,
siempre y cuando la corriente inversa no sea mayor
a la del diodo, ya que ocasionaría que el diodo se
dañara y finalmente el circuito deje de funcionar.
VII. Conclusiones
1.
Aunque se reconocen las ventajas de los
rectificadores de media onda y onda completa
con diodos, se identifican que los valores de
rizado aun así son muy altos en la gran mayoría
de los casos ya que lo que se pretende es obtener
una señal de corriente continua (constante), pero
a su vez se comprende que en la aplicación real
de la electrónica es muy difícil disminuir los
valores de rizado debido a los comportamientos
no ideales de cada uno de los elementos que
interactúa en los circuitos rectificadores.
2.
Se comprendió la importancia de calcular
los valores de cada uno de los elementos que
conforman el circuito. Como en el caso del
condensador, en el circuito de fuente no
regulada, donde la corriente inversa no puede
superar la corriente del diodo ya que este dejara
de funcionar igual que el circuito completo; por
lo tanto se convierte en una forma de mitigar
perdida de material y presupuesto en cualquier
circuito o trabajo.
3.
Se pudo apreciar que la rectificación
completa de una onda se puede realizar
mediante la configuración de diferentes
elementos, la variación de los resultados (señal
de salida) radicara en la distribución que dichos
elementos tengan y la interacción que estos
hagan con el circuito.
4.
7
El uso de los condensadores para este tipo
de circuitos es indispensable si requiere de
mejores resultados, ya que estos permiten
manipular la señal de salida o variarla según se
requiera, además siempre es importante no
olvidar que cumplan los requisitos de potencia,
tensión y corriente del circuito para no obstruir
ningún material y asimismo recordar que son
fundamentales para disminuir el valor del rizado
en la señal de salida.
VIII. Publicaciones
Este informe se encuentra publicado en la página
web: http://tatanrosas.jimdo.com/unal/publicaciones
IX. Referencias
[1] Imagen
obtenida
de
http://sgsdistribuciones.com/transformadorei508/
[2] Resumen de la teoría de los transformadores de
potencia de la Universidad de Cantabria
(España), Miguel Ángel Rodríguez, 2012,
http://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/Traf
os.pdf
[3] Rectificador de media onda, SFA, SFP,
http://www.etitudela.com/Electrotecnia/electron
ica/01d56994c00dc4601/01d56994c00df600b.ht
ml
[4] Rectificador de onda completa, SFA, SFP,
http://www.etitudela.com/Electrotecnia/electron
ica/01d56994c00dc4601/01d56994f50747401.h
tml