práctica pd2 circuitos recortadores
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eLab, Laboratorio Remoto de Electrónica ITESM, Depto. de Ingeniería Eléctrica PRÁCTICA PD2 CIRCUITOS RECORTADORES OBJETIVOS • Utilizar la característica no lineal de los diodos rectificadores en un circuito recortador. • Aplicar una forma de onda de voltaje especifica a un circuito recortador (o limitador) con el objeto de conformar diferentes formas de onda. • Entender teóricamente y de forma experimental el funcionamiento de los circuitos recortadores. 1.1 INTRODUCCIÓN La función principal de un circuito recortador es la de recortar una porción de una señal alternante. También puede ser la de limitar el valor máximo que puede tomar una señal de referencia o bien una señal de control, en cuyo caso estos circuitos son también conocidos como circuitos limitadores. Esta acción es llevada a cabo mediante diodos semiconductores en combinación con elementos resistivos y fuentes de voltaje. Los circuitos recortadores se encuentran normalmente en dos configuraciones: serie y paralelo. Al observar las Figuras 1 y 2, se ha de notar que el nombre asignado a cada una de las configuraciones de recortadores se refiere en esencia a como se encuentra colocado el diodo con respecto al voltaje de salida en el circuito. Mientras que en las figuras 1 y 2 el nivel de recorte es de 0 volts, en la Figura 3 se ilustra un circuito recortador en el cual se agrego una fuente de corriente directa, el resultado es un cambio en el nivel de recorte de la señal de acuerdo al valor de la fuente. vi Circuito recortador típico en serie y formas de onda de voltajes. vo vi vo + vi - vi + R vo - vo Figura 1. Circuito recortador serie y formas de onda de voltaje de entrada y salida. -1- PD2 – Circuitos recortadores vi Circuito recortador típico en paralelo y formas de onda de voltajes. vo vi vo + vi + R vo - - vi vo Figura 2. Circuito recortador en paralelo y formas de onda de voltaje de entrada y salida. vo vi + t R + vi + VB vo - - - VB t Figura 3. Circuito recortador en paralelo con fuente de CD y forma de onda de voltaje de entrada y salida para un valor de VB positivo. Observando estas figuras se puede constatar que los circuitos rectificadores de media onda y de onda completa, constituyen un tipo especial de circuitos recortadores, en donde se establece el nivel de corte a cero volts. Consideraciones a tomar en cuenta al analizar un circuito recortador Para el análisis de estos circuitos normalmente es posible usar el modelo simplificado del diodo y considerar despreciable su resistencia interna. Esta aproximación se puede hacer tomando en cuenta que la caída de voltaje en el dispositivo es igual al voltaje de umbral (“threshold voltage”), siendo este aproximadamente de VTh=0.7 V para los diodos de silicio y VTh=0.3 V para los diodos de germanio. El análisis de circuitos recortadores con ondas de voltaje de entrada rectangulares es más fácil de realizar, debido a que cada nivel de voltaje se puede tratar como una entrada de directa y el voltaje de salida se determina para cada intervalo de tiempo correspondiente. Bibliografía -2- PD2 – Circuitos recortadores Libro de Texto: • Microelectronics; Circuit Analysis and Design Donal A. Neamen, McGraw Hill, 3rd Edition, 2007 Libros de Consulta: • Electronic Devices Thomas L. Floyd, Prentice Hall, 6th Edition, 2002 • Electronic Circuits; Analysis, Simulation, and Design Norbert R. Malik, Prentice Hall, 1995 • Electronic Devices and Circuits Robert T. Paynter, Prentice Hall, 7th Edition, 2006 -3- PD2 – Circuitos recortadores 1.2 ACTIVIDAD PREVIA Instrucciones Siga detalladamente las instrucciones para cada uno de los puntos que se presentan en la presente actividad. Conteste y/o resuelva lo que se le pide en los espacios correspondientes para cada pregunta. Hágalo de manera ordenada y clara, un punto muy importante es el respeto a las reglas de ortografía. En el reporte agregue en el espacio asignado gráficas comparativas, análisis de circuitos, simulaciones en computadora, ecuaciones, referencias bibliográficas, ejemplos, aplicaciones, 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 Lea detenidamente el capitulo correspondiente de su libro de texto y en los libros de consulta el material relacionado con circuitos recortadores y conteste lo siguiente. I) Menciona tres aplicaciones de los circuitos recortadores. Además para cada aplicación, explica el papel que desempeña el circuito recortador. _________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ II) Realice un análisis de los circuitos que se ilustran en la Figura 4 y explique el comportamiento del diodo a medida que se aplica el voltaje de entrada correspondiente. Dibuje la forma de onda en la salida de cada circuito. Se recomienda corroborar los resultados analíticos mediante una simulación por computadora. Considere que los diodos son ideales. vi vo + + vi vo - - 5V 5V t 0 -5V t 0 -5V (a) vi 5V + + vi vo - - t 0 vo 5V t 0 -5V -5V (b) Figura 4. (a) Circuito recortador en serie. (b) Circuitos recortador en paralelo. -4- PD2 – Circuitos recortadores III) Analice el circuito que se ilustra en la Figura 5 del procedimiento (se sugiere corroborar los análisis mediante una simulación) y realice lo siguiente: a) Escriba las ecuaciones que relacionan el voltaje de salida ( vo ) con los voltajes de los diodos. Haga una sumatoria de voltajes en la malla que contenga al diodo correspondiente y el voltaje de salida. Ecuación que relaciona vo con el voltaje del diodo 1: _____________________________ Ecuación que relaciona vo con el voltaje del diodo 2: _____________________________ b) ¿Cuál es el voltaje máximo de salida ( vo ) cuando el voltaje de entrada es positivo (+), es decir, a que valor será recortada la señal cuando el voltaje de entrada sea positivo? v0max = ____________________ c) ¿Cuál es el rango de voltajes de la señal de entrada para el cuál el diodo 1 se encuentra polarizado directamente? El rango en que el diodo 1 se encuentra polarizado directamente es:____________________ d) ¿Cuál es el rango de voltajes de la señal de entrada para el cuál el diodo 1 se encuentra polarizado inversamente? El rango en que el diodo 1 se encuentra polarizado inversamente es:____________________ e) ¿Cuál es el voltaje mínimo de salida ( vo ) cuando el voltaje de entrada es negativo (−), es decir, a que valor será recortada la señal cuando el voltaje de entrada sea negativo? v0min = __________________________ f) ¿Cuál es el rango de voltajes de la señal de entrada para el cuál el diodo 2 se encuentra polarizado directamente? El rango en que el diodo 2 se encuentra polarizado directamente es: _________________ g) ¿Cuál es el rango de voltajes de la señal de entrada para el cuál el diodo 2 se encuentra polarizado inversamente? El rango en que el diodo 2 se encuentra polarizado inversamente es: _________________ h) ¿Cuál es el rango de voltajes de la señal de entrada para el cuál ambos diodos se encuentran polarizados directamente? El rango en que los diodos 1 y 2 se encuentran polarizados directamente es: _____________ i) ¿Cuál es el rango de voltajes de la señal de entrada para el cuál ambos diodos se encuentran polarizados inversamente? Rango en que los diodos 1 y 2 se encuentran polarizados inversamente: _________________ -5- PD2 – Circuitos recortadores j) ¿Cuál es el voltaje de pico inverso (VPI) en cada diodo? O bien ¿Cuál es el voltaje inverso máximo que soporta cada diodo en el circuito? VPID1 = VPID2 = Resultado Analítico Resultado Analítico k) Dibuje en el siguiente espacio el voltaje de salida del circuito recortador correspondiente a la forma de onda de voltaje de entrada de la Figura 5 (Dibuje aquí la forma de onda de salida del circuito recortador mostrado en la Figura 5) l) ¿Cuál es el valor máximo de la corriente que se establece en cada diodo? iD2max = iD1max = Resultado Analítico Resultado Analítico -6- PD2 – Circuitos recortadores 1.3 PROCEDIMIENTO En esta sección se analiza experimentalmente el circuito recortador en paralelo que se ilustra en la Figura 5. Durante el procedimiento se aplicará la forma de onda de voltaje que se muestra en la parte izquierda de dicha figura, para ello se utiliza la interfase grafica del laboratorio Remoto de Electrónica (eLab). Una vez que haya medido cada uno de los parámetros que le hayan sido solicitados durante el procedimiento se le pide que los compare con los resultados analíticos obtenidos en la actividad previa. R 1.2 kΩ 1 Vin 8V + + iR D1 3 V1 Vin t (ms) 2 1N4001 D2 5.3V V2 4 - -8 V 1N4001 vo 3.3V - Gnd Figura 5. Circuito recortador en paralelo con dos fuentes de CD. El valor de R es de 1.2 KΩ a) Voltaje de entrada vi(t). Aplique la forma de onda de entrada que se ilustra en la Figura 5 al circuito recortador bajo experimentación. Y utilizando el osciloscopio disponible en la interfase grafica del Laboratorio Remoto de Electrónica, eLab, mida la forma de onda de voltaje de la señal de entrada. Coloque una imagen de esta señal en el siguiente espacio. (Coloque aquí la imagen disponible en el osciloscopio del eLab para la señal de entrada) Anote en el siguiente recuadro los voltajes máximos y mínimos aplicados al circuito. Voltaje máximo de entrada vi(max)= Voltaje mínimo de entrada vi(min)= b) Voltaje máximo de salida vo(t). Utilizando el osciloscopio disponible en la interfase grafica del eLab mida el voltaje máximo en la salida del circuito cuando el voltaje de entrada (vi) es positivo (+), es decir, ¿a que valor será recortada la señal de salida cuando el voltaje de entrada sea positivo? Coloque el resultado en la siguiente casilla. “Resultado Analítico” Voltaje máximo de salida v0 max = “Resultado de la Medición” v0 max = -7- PD2 – Circuitos recortadores En el siguiente espacio anexe la figura observada en el osciloscopio. (Coloque aquí la imagen disponible en el osciloscopio del eLab) c) Polarización del diodo D1. Utilizando el osciloscopio mida la forma de onda de voltaje en las terminales del diodo D1 y anexe esta forma de onda en el siguiente espacio. (Coloque aquí la imagen disponible para el voltaje en las terminales del diodo D1) • A partir de la imagen anterior y observando el valor de la fuente de CD que se encuentra en serie con el diodo D1, deduzca la forma de obtener los niveles de voltaje en los que se recorta la forma de onda de salida vo(t). Describa sus análisis en las siguientes líneas. ___________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________ Realizando ahora las mediciones adecuadas en el circuito, determine lo siguiente: ¿Cuál es el rango de voltajes de la señal de entrada para el cuál el diodo 1 se encuentra polarizado directamente? “Resultado Analítico” “Resultado de la Medición” El rango en que el diodo 1 se encuentra polarizado directamente es: d) Realizando las mediciones adecuadas en el circuito, determine lo siguiente: ¿Cuál es el rango de voltajes de la señal de entrada para el cuál el diodo 1 se encuentra polarizado inversamente? “Resultado Analítico” El rango en que el diodo 1 se encuentra polarizado inversamente -8- “Resultado de la Medición” PD2 – Circuitos recortadores es: e) Voltaje mínimo de salida vo(t). Utilice el osciloscopio disponible en la interfase grafica del eLab y mida el voltaje mínimo en la salida del circuito cuando el voltaje de entrada (vi) es negativo (-), es decir, ¿a que valor será recortada la señal de salida cuando el voltaje de entrada sea negativo? Coloque el resultado en la siguiente casilla. “Resultado Analítico” Voltaje mínimo de salida vo min = “Resultado de la Medición” v0 min = f) Polarización del diodo D2. Utilizando el osciloscopio mida la forma de onda de voltaje en las terminales del diodo D2 y anexe esta forma de onda en el siguiente espacio. (Coloque aquí la imagen disponible para el voltaje en las terminales del diodo D2) • A partir de la imagen anterior y observando el valor de la fuente de CD que se encuentra en serie con el diodo D2, deduzca la forma de obtener los niveles de voltaje en los que se recorta la forma de onda de salida vo(t). Describa sus análisis en las siguientes líneas. ___________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________ g) Realizando ahora las mediciones adecuadas en el circuito, determine lo siguiente: ¿Cuál es el rango de voltajes de la señal de entrada para el cuál el diodo 2 se encuentra polarizado directamente? “Resultado Analítico” “Resultado de la Medición” Rango en que el diodo 2 se encuentra polarizado directamente: h) Realizando las mediciones adecuadas en el circuito, determine lo siguiente: ¿Cuál es el rango de voltajes de la señal de entrada para el cuál el diodo 2 se encuentra polarizado inversamente? “Resultado Analítico” Rango en que el diodo 2 se encuentra polarizado inversamente: -9- “Resultado de la Medición” PD2 – Circuitos recortadores i) Polarización directa de ambos diodos. Con las mediciones hechas hasta este momento determine: ¿Cuál es el rango de voltajes de la señal de entrada para el cuál ambos diodos se encuentran polarizados directamente? “Resultado Analítico” “Resultado de la Medición” El rango de voltaje de la señal de entrada en el que ambos diodos se encuentran polarizados directamente es: j) Polarización inversa de ambos diodos. Con las mediciones hechas hasta este momento determine: ¿Cuál es el rango de voltajes de la señal de entrada para el cuál ambos diodos se encuentran polarizados inversamente? “Resultado Analítico” “Resultado de la Medición” El rango de voltaje de la señal de entrada en el que ambos diodos se encuentran polarizados inversamente es: k) Voltaje de pico inverso en cada diodo. Realice las mediciones adecuadas y determine: ¿Cuál es el voltaje de pico inverso (VPI) en cada diodo? O bien ¿Cuál es el voltaje inverso máximo que soporta cada diodo en el circuito? “Resultado Analítico” “Resultado de la Medición” Voltaje de pico inverso en el diodo D1 VPID1= VPID1= Voltaje de pico inverso en el diodo D2 VPID2= VPID2= l) Voltajes en las terminales del resistor R. Mida ahora la forma de onda en las terminales del resistor R, coloque esta forma de onda en el siguiente espacio. (Coloque aquí la imagen disponible para el voltaje en las terminales del resistor R) • Observe la imagen anterior y compárela con las señal presente en la entrada del circuito (Utilice la instrumentación del eLab para observar la señal de entrada). Una vez hecha la comparación entre - 10 - PD2 – Circuitos recortadores ambas formas de onda, explique teóricamente y mediante análisis de mallas en el circuito, de que forma puede usted obtener la señal de salida del circuito a partir de estas dos señales. ___________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________ m) Corriente en el resistor R, iR. A partir de la forma de onda de voltaje en el resistor R, obtenida en el inciso anterior, calcule la corriente pico máxima y mínima que es demandada por el circuito; coloque el resultado de este calculo a continuación. “Resultado Analítico” “Resultado de la Medición” Corriente pico máxima en el resistor R iR(max)= iR(max)= Corriente pico resistor R iR(min)= iR(min)= mínima en el • ¿Que relación tienen estas corrientes con las corrientes que circulan por los diodos? Escriba sus comentarios enseguida. ___________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________ n) Corriente máxima en los diodos. Utilizando la instrumentación disponible en el eLab calcule la corriente máxima que circula por cada diodo. Explique también el procedimiento que llevo a cabo para obtener cada uno de estos datos de corriente. “Resultado Analítico” Corriente máxima en el diodo D1 Corriente máxima en el diodo D2 “Resultado de la Medición” ID1(max)= ID1(max)= ID2(min)= ID2(min)= • Describa aquí ¿Cuál fue el procedimiento que siguió para obtener el valor de la corriente máxima en el diodo D1? ___________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________ • Describa aquí ¿Cuál fue el procedimiento que siguió para obtener el valor de la corriente máxima en el diodo D2? ___________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 1.4 ACTIVIDADES Y CONCLUSIONES FINALES 1) Explique de forma clara y concisa el papel que desempeñan cada uno de los componentes del circuito estudiado en la presente práctica. • Diodos D1 y D2: ___________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________ - 11 - PD2 – Circuitos recortadores • Fuentes de voltaje de CD: ___________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________ • Resistencia de entrada R: ___________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2) Explique lo que sucede en la señal de salida se si realizan las siguientes modificaciones en el circuito (considere que se aplica una sola modificación a la vez): a) Se reduce el valor de la resistencia de entrada R. b) Se incrementa el nivel de CD de una de las dos fuentes de voltaje c) Se invierte la polaridad de una de las dos fuentes de voltaje de CD d) Se invierte la dirección de conducción del diodo D1 e) Se intercambia la posición de ambos diodos 3) Explique la operación del circuito en estado estable si se aplica el cambio que se menciona en cada uno de los siguientes incisos (un inciso a la vez). Dibuje la señal de salida que esperaría obtener para cada caso. a) Quitar el diodo D2 y reemplazarlo con un corto circuito. b) Quitar el diodo D1 y reemplazarlo por un circuito abierto. c) Establecer el valor de la fuente V1 a cero volts. d) Establecer el valor de ambas fuentes de CD en cero volts. e) Establecer un valor de la resistencia R de cero ohms f) Reemplazar el diodo D2 y la fuente V2 por un corto circuito. 4) Anote enseguida sus conclusiones generales de la presente práctica: ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________ - 12 -
