Universidad Nacional de Colombia. Sede Bogotá. Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Electrónica de Potencia
Informe de Laboratorio Nro. I: Características de conmutación de los Diodos y rectificadores monofásicos Carga Resistiva. Raúl Isea Noguera,
[email protected] Julián Pinzón Flórez,
[email protected] Flórez,
[email protected]
Marzo, 2016
INTRODUCCIÓN Este informe presenta la teoría relacionada con el funcionamiento de los diodos de recuperación rápida, diodos de propósito general, así como su aplicación en rectificadores monofásicos con carga resistiva. También se presentan los cálculos, simulaciones y resultados de laboratorio correspondientes a la primera práctica de electrónica de potencia y su respectivo análisis.
I. TIPOS DE DIODOS El fenómeno de recuperación inversa de los diodos, es una característica heredada de la construcción del dispositivo. La construcción de un diodo que no tuviera tiempo de recuperación inversa resultaría muy costoso y comúnmente las aplicaciones de los diodos en electrónica de potencia no justifican el gasto adicional. Para muchas aplicaciones conocidas, no resulta importante el efecto de del tiempo de recuperación inversa y se pueden emplear diodos de bajo costo [1]. Los diodos de potencia se pueden clasificar clasifi car en dos o tres categorías y las características y limitaciones limitacio nes prácticas de cada tipo restringen restringen sus aplicaciones aplicaciones.. A. D iodos de Propósit Propósit o Gene Generr al
Los diodos rectificadores de propósito general (PG) tienen un tiempo de recuperación inversa relativamente grande, típicamente entre 25µs, y se emplean generalmente en aplicaciones de baja velocidad, donde el tiempo de recuperación no es un factor crítico. Esos diodos cubren especificaciones de corriente desde menos de 1 A y hasta varios miles de amperes, con tensiones desde 5 V hasta 5 kV [1]. Son generalmente fabricados por difusión; aunque también se fabrican por aleación y se usan en fuentes de poder para soldar, resultan económicos y robustos con capacidades de llegar hasta 1500 V, 400 A. B. D iodos Fast Recove Recoverr y
Intuitivamente se entiende que los diodos Fast Recovery (FR) tienen tiempo de recuperación corto. Es usual encontrar diodos de este tipo con < 5 µs. Aplicados generalmente en circuitos convertidores D.C. a D.C. y D.C. a A.C, donde con frecuencia es preciso tener altas velocidades de conmutación [1]. Ese tipo de diodos presenta especificaciones de tensión desde 50V hasta 3kV y desde menos de 1A hasta cientos de amperes [1].
Para tensiones nominales superiores a 400V, los diodos FR tienden a fabricarse por difusión, y el tiempo se controla por difusión de platino o de oro. Por otro lado, si se tienen especificaciones por debajo de los 400V, los diodos epitaxiales proporcionan velocidades velocidades mayores de conmutación (50 ns) gracias a que son angostos en la base [1].
II. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS REALES DE EQUIPOS A. M ul tímetr o
El multímetro digital basa su funcionamiento en el ADC, el cual a su vez emplea el principio de la doble rampa. Se emplea generalmente debido a que en la segunda rampa se inicia un tren de pulsos de tal forma que el número de ellos es proporcional a la tensión de entrada. La figura 1 muestra el diagrama de bloques del funcionamiento del multímetro digital. La primera rampa tiene como objetivo saturar al contador, que llega al estado de orden N, que contiene todos los ceros, es decir, el objetivo es que la lectura parta de cero; esta rampa es generada por la carga de un capacitor fijo debido al voltaje de entrada desconocido[2].
Figura 1. Diagrama de Bloques del Circuito del Multímetro Digital
En la segunda rampa, el capacitor se descarga a una velocidad constante generando un número de pulsos proporcional proporcional al al voltaje voltaje de entrada, los cuales cuales pasan a un contador y a una pantalla la cual indica el valor del voltaje desconocido. La medición de corriente es de la misma manera, ya que la corriente pasa por una resistencia resistencia de de valor unitario haciendo haciendo igual igual la corriente al al voltaje y se repite repite el proceso proceso antes descrito. La medición de resistencia se hace por medio de la ley de Ohm y evitando el ADC. B. Sondas Atenuadas
Dentro de las especificaciones de las sondas pasivas de tensión, una de las principales es el factor de atenuación. Este determina la proporción que hay entre las amplitudes de las señales de entrada y salida de la misma cuando la sonda se conecta al osciloscopio. Los valores típicos son de x1, x10,
x100 y x1000[4]. Cuanto mayor es el factor de atenuación de la sonda, menor es la sensibilidad vertical del sistema de medida sonda-osciloscopio (disminuye en la proporción de dicho factor).
Figura 2. Modelo Sonda Pasiva de Atenuación x 10
C. Oscil oscopio
El osciloscopio digital utiliza un convertidor ADC para convertir la señal de entrada en información digital. El osciloscopio adquiere la información de la onda como una serie de muestras discretas que son almacenadas hasta que se acumula un número suficiente de datos para describir la forma de la onda, que tras ser reconstruida se muestra en la pantalla La figura 3 ilustra el diagrama de bloques simplificado del osciloscopio. El hecho de que lo que se muestre sea información previamente digitalizada permite que la calidad de la representación – estabilidad, brillo y claridad- sea siempre buena para cualquier señal cuya frecuencia sea menor que la máxima admisible por el muestreo. La principal ventaja del osciloscopio digital es que permite capturar señales que no sean periódicas (eventos que ocurran sólo una vez y transitorios). Dado que la información de la onda tiene formato digital, puede ser analizada, archivada, impresa o procesada, tanto en el propio osciloscopio como en un ordenador externo. La onda no necesita ser continua. Incluso cuando la señal desaparece, puede seguir siendo mostrada.
Figura 3. Diagrama de Bloques Simplificado para el funcionamiento del Osciloscopio Digital
III. RECTIFICADORES DE CARGA R Los diodos se usan en forma extensa en los rectificadores. Un rectificador es un circuito que convierte la señal A.C. en una señal unidireccional. Dependiendo de la clase de suministro en la entrada, los rectificadores se clasifican en monofásicos y trifásicos [1]. A lo largo del documento se trabaja solamente con rectificadores monofásicos y para efectos de la práctica se usa carga resistiva (aproximadamente). A. M edia Onda
El rectificador de media onda es la topología más sencilla en los rectificadores, sin embargo, no es usual encontrar un rectificador de este tipo a nivel industrial; no obstante resulta útil para comprender la teoría de los rectificadores [1].
Figura 4. Diagrama Esquemático, Rectificador de Media Onda con Carga R
El diagrama esquemático empleado para este circuito se muestra en la figura 4 para medio ciclo positivo de la tensión de entrada, el diodo D1 conduce y el voltaje de entrada aparece a través de la carga. Durante el semiciclo negativo del voltaje de entrada, el diodo trabaja en inverso y la tensión de salida es cero. En la figura 5 se ven las formas de onda del voltaje de entrada y salida.
Figura 5. Forma de Onda de Entrada y Salida del Rectificador con Carga R
- Par ámetr os de Rendi mi ento: Al ver la señal de voltaje de salida en la figura 6, se observa que se trata de una señal D.C; no obstante es discontinua y contiene armónicos. El rectificador está diseñado para procesar la potencia que debe producir una tensión de salida D.C. con la menor cantidad de armónicos posible. Simultáneamente, la corriente de entrada debe permanecer lo más sinusoidal posible, y en fase con la señal de voltaje de entrada y así lograr un factor de potencia (F.P.) cercano a la unidad. Es posible emplear series de Fourier para determinar el contenido de los armónicos de voltaje y corriente. Los siguientes parámetros evalúan el rendimiento de un rectificador independientemente del tipo.
- El valor promedio de la corriente de salida - El valor promedio del voltaje de salida
- La potencia de salida D.C
= (1)
- El valor RMS del voltaje - La corriente RMS
- La potencia de salida en alterna
= (2) - La eficiencia
=
(3)
- La tensión de salida está formada por la componente del valor D.C. y el componente de A.C. (rizado). El valor efectivo de la componente de A.C. en la tensión de salida es:
=
(4)
- El factor de utilización del transformador (TUF)
= (5) - El factor de potencia (FP)
= = cos
(6)
B. Onda Completa con Tap Centr al
En un circuito rectificador de onda completa, con un transformador con tap (derivación ) central, como el mostrado en la figura 6. Se observa que cada mitad del transformador, con el respectivo diodo, actúa como un rectificador de media onda [1].
Figura 6. Circuito Rectificador de Onda Completa con Tap Central
La salida del rectificador de onda completa se exhibe además en la figura 7. Al no confluir corriente D.C. por el transformador, no hay problema de saturación de su núcleo. El voltaje promedio de la salida se obtiene mediante:
= ∫ sin() = (8)
Figura 7. Formas de Onda de Entrada y Salida. Rectificador de Onda Completa Tap Central
C. Onda Completa tipo Puente
En sustitución del transformador con derivación central, se podrían usar cuatro diodos para construir un rectificador tipo puente. Cuyo funcionamiento resulta así: Durante el semiciclo positivo del voltaje de entrada, se suministra la corriente a la carga a través de los diodos D1y D2 (ver figura 9a). Durante el semiciclo negativo, los diodos D3 y D4 son los que conducen. La forma de onda del voltaje de salida (ver figura 9b) es similar a la figura 8. El circuito rectificador tipo puente es de uso común en aplicaciones industriales.
Figura 8a. Circuito Rectificador de Onda Completa tipo Puente
Figura 8b. Onda de Salida de Rectificador tipo Puente
IV. CALCULOS TEORICOS Se procede a volver a hacer el cálculo luego de medir los valores reales de tensión de salida del transformador (14 V) y la resistencia (1 kΩ).
A. Rectificador de Media Onda
= = 14 = 4,456 14 = 4,456 = = (1000) 14 = = = 19,858 = 2 = 124 = 7 14 = 3,5 = 2 = 2000 14 = 4 = 4 = 49 = = 3,5 = ∗ √ 2 = 3,5 ∗ √ 142 = 34,64
ɳ = 4 = 0,405 = 40,5% = ɳ − = 2√ 2 = 0,286 = 28,6% B. Rectificador de Onda Completa con Tap Central
= 2 = 2∗14 = 8,913 2∗14 = 8,913 = 2 = (1000) 4∗14 4 = = = 79,436 = √ 2 = 1√ 42 = 9,899 14 = 9,899 = √ 2 = √ 2 ∗1000 14 = 2 = 2 = 49 = = 9,899 = ∗ √ 2 = 9,899 ∗ √ 142 = 97,99 ɳ = 8 = 0,81 = 81% = ɳ − = 4√ 2 = 0,57 = 57% C. Rectificador de Onda Completa Tipo Puente
= 2 = 2∗14 = 8,913 2∗14 = 8,913 = 2 = (1000) 4∗14 4 = = = 79,436 = √ 2 = 1√ 42 = 9,899
14 = 9,899 = √ 2 = √ 2 ∗1000 14 = 2 = 2 = 49 = = 9,899 = ∗ √ 2 = 9,899 ∗ √ 142 = 97,99 ɳ = 8 = 0,81 = 81% = ɳ − = 8 = 0,81 = 81% V. INFORMACION DEL FABRICANTE DEL DISPOSITIVO A. D iodo de Propósit o Gener al 1N 4004
La siguiente tabla muestra los valores característicos extraídos de la hoja de datos del fabricante:
B. D iodo F ast Recovery 1N 4148
La siguiente tabla muestra los valores característicos extraídos de la hoja de datos del fabricante:
VI. SIMULACIONES, PARTE A Empleando los modelos de osciloscopios reales existentes en el Software N.I. Multisim, se obtienen las curvas que muestran el de los diodos
A. Di odo 1N4004
La curva de caída osciloscopio permite extraer los datos de utilidad para la práctica. En la figura 9 se muestra el scope de simulación de la cual se extraen los datos de la tabla siguiente.
Figura 9. Simulación de
para el Diodo 1N4004
4004
Trr
401 [µs]
Irr
40,16 [µA]
Datos de Simulación del 1N4004
B. D iodo 1N4148
La curva de caída osciloscopio permite extraer los datos de utilidad para la práctica. En la figura 10 se muestra el scope de simulación de la cual se extraen los datos de la tabla siguiente.
Figura 10. Simulación del Trr para el 1N4148 Datos de Simulación del Diodo 1N418:
4148
Trr 19[ηs]
Irr 482,16[µA]
VII. SIMULACIONES, PARTE B Empleando el Software de simulación N.I. Multisim 13, se han realizado las simulaciones correspondientes. Mostrando resultados ideales. A. Rectif icador de Media Onda
En la figura 11 se muestra el diagrama de simulación capturado para el rectificador de media onda con diodo 1N4004 y el resultado de la simulación se exhibe a continuación
Figura 11. Diagrama de Rectificación, Rectificador de Media Onda
= 0.28[] = 0.28[µ] = 78.4[] = 9.25[] = 9.25[] = 85.6[] = 9.25[] = 130[] = 0.915 = 91.5% = = 0.60307 B. Rectificador de Onda Completa con Tap Central En la figura 12 se muestra el diagrama de simulación capturado para el rectificador de onda completa con derivación central usando diodo 1N4004 y el resultado de la simulación se exhibe a continuación
Figura 12. Diagrama de Simulación, Rectificador de Onda Completa con Derivación Central
= 1.17[] = 1.17[]
= 1.37[] = 13.2[] = 13.2[] = 178[] = 9.23[] = 130[] = 0.769 = 76.9% = = 0.60307 C. Rectificador de Onda Completa Tipo Puente En la figura 13 se muestra el diagrama de simulación capturado para el rectificador de onda completa con rectificador tipo puente, usando diodo 1N4004 y el resultado de la simulación se exhibe a continuación
Figura 13. Diagrama de Simulación, Rectificador de Onda Completa con Rectificador tipo Puente
= 0.9[] = 0.9[] = 810[µ] = 12.7[] = 12.7[] = 161[] = 12.7[] = 177[]
= 0.4576 = 45.76% = = 0.60307 VIII. LABORATORIO PARTE A La práctica se ha desarrollado empleando un generador de señales digital RIGOL el cual posee tensión plena de 20 para frecuencias menores a 20MHz y de 10 en adelante.
A. Características de Conmutación del Diodo PG En las figuras 14a y 14b se muestran los diagramas esquemáticos asignados a la práctica de laboratorio
Figura 14a. Diagrama para Diodo PG
Figura 14b. Diagrama para diodo FR
- Com par aci ón de las señ ales de Entr ada y Sali da: Empleando los dos canales del osciloscopio se pueden visualizar las señales de entrada y salida del circuito. La gráfica resultante se ilustra en la figura 16. En dicha figura se observa el efecto esperado al ubicar un rectificador de media onda con diodo PG; además se puede apreciar una ligera diferencia entre el voltaje pico de la señal de entrada y el de salida, esto es debido a que los diodos no son ideales y la mejor aproximación que se puede obtener (para frecuencias no muy altas) a esta tensión se da por la ecuación de Schockley para diodos de Silicio.
Figura 15. Señales de Entrada y Salida para el Diodo PG
Figura 16. Gráfica de Trr a 6kHz con diodo PG
Figura 17. Gráfica de Trr a 60kHz con diodo PG
Figura 18. Gráfica de Trr a 3MHz con diodo PG
- Características de Conmutación para diferentes Frecuencias: Se ha realizado un barrido en frecuencia con el fin de visualizar la conmutación del diodo y de esta forma interpretar mejor los resultados. La toma de medidas se ha efectuado con dos equipos simultáneamente para comparar su funcionamiento. Los datos se encuentran consignados en la siguiente tabla.
DATOS EXPERIMENTALES DE VOLTAJE D.C. Y A.C. PARA DIFERENTES FRECUENCIAS CON EL 1N4004
Osciloscopio Frecuencia
Fluke
60[Hz]
4,25[V]
2,68[V]
3,247[V]
2,6[V]
600[Hz]
4,25[V]
2,68[V]
3,247[V]
2,6[V]
6[kHz]
4,25[V]
2,68[V]
3,233[V]
2,599[V]
60[kHz]
4,25[V]
2,66[V]
2,306[V]
2,563[V]
600[kHz]
4,62[V]
1,77[V]
0,394[V]
1,674[V]
1[MHz]
5,38[V]
1,86[V]
0,0015[V]
0,587[V]
3[MHz]
4,55[V]
0,324[V]
─
Datos de
0,366[V]
e para dos frecuencias diferentes en el diodo 1N4004 Frecuencia
Trr
Irr
6[kHz]
3[µs] 2,1[µs]
1,578[mA] 6,9[mA]
60[kHz]
B. Características de Conmutación del Diodo FR Empleando los dos canales del osciloscopio se pueden visualizar las señales de entrada y salida del circuito. La gráfica resultante se ilustra en la figura 16. En dicha figura se observa el efecto esperado al ubicar un rectificador de media onda con diodo FR; además se puede apreciar una ligera diferencia -mas notoria en contraste con la figura 16- entre el voltaje pico de la señal de entrada y el de salida, esto es debido a que los diodos no son ideales y la mejor aproximación que se puede obtener (para frecuencias no muy altas) a esta tensión se da por la ecuación de Schockley para diodos de Silicio.
Figura 19. Señales de entrada y salida para el diodo FR
- Características de conmutación para diferentes frecuencias: Se ha realizado un barrido en frecuencia con el fin de visualizar la conmutación del diodo y de esta forma interpretar mejor los resultados. La toma de medidas se ha efectuado con dos equipos simultáneamente para comparar su funcionamiento. Los resultados se observan en la siguiente tabla. DATOS EXPERIMENTALES DE VOLTAJE D.C. Y A.C. PARA DIFERENTES FRECUENCIAS CON EL 1N4004
Osciloscopio Frecuencia
60[Hz]
4,2[V]
2,68[V]
3,232[V]
2,585[V]
600[Hz]
4,22[V]
2,68[V]
3,232[V]
2,585[V]
6[kHz]
4,14[V]
2,62[V]
3,215[V]
2,585[V]
60[kHz]
4,15[V]
2,56[V]
2,282[V]
2,584[V]
600[kHz]
4,12[V]
3,47[V]
0,298[V]
1[MHz]
4,19[V]
2,46[V]
0,15[V]
─
─
─
─ ─ ─
3[MHz]
Fluke
Como se puede observar en la figura 20, no es posible observar el (Por defecto la tampoco es visualizable) Pues el diodo 1N4148 no ha sido fabricado con el propósito de ser regulador. Sin embargo se puede apreciar que las curvas se deforman a medida que aumenta la frecuencia, tomando una tendencia exponencial decreciente. Fundamentalmente, el diodo no logra conmutar correctamente y la capacitancia de la juntura “suaviza” la caída en la curva.
Figura 20. Gráfica de Trr a 6kHz con diodo FR
IX. LABORATORIO, PARTE B Empleando los dos canales del osciloscopio se pueden visualizar las señales de entrada y salida del circuito. Las gráficas resultantes se ilustran en las subsecciones siguientes. En esas figuras se observa el efecto esperado al ubicar un rectificador de media onda con diodo GP (figura 21), un rectificador de onda completa con tap central (figura 22) y un rectificador de onda completa con rectificador tipo puente (figura 23). A.
Rectif icador de M edia Onda
Se muestra en la figura 21 la rectificación de media onda de una señal extraída de la red, disminuyendo la amplitud de la señal con un transformador de tap central de -14 V_0V_14 V con una frecuencia aproximada de 60 Hz.
Figura 21. Señales de Entrada y Salida del Rectificador de Media Onda con diodo 1N4004 Medidas de Tensión y Corriente para el Rectificador de Media Onda Dato
B.
Voltaje[V]
Corriente[mA
Entrada D.C.
0,228
N/A
Entrada RMS
13,6
N/A
Salida D.C.
5,72
5,51
Salida RMS
7,08
6,82
Rectif icador de Onda Completa con Tap Centr al
En la figura 22 se muestra experimentalmente la rectificación de onda completa de una señal extraída de la red, disminuyendo la amplitud de la señal con un transformador de tap central de -14 V_0V_14 V con una frecuencia aproximada de 120 Hz pues los semiciclos negativos se invierten y la periodicidad de la señal hace que se dupliquen el ciclo útil y la frecuencia.
Figura 22. Señales de Entrada y Salida del Rectificador de Onda Completa con Tap Central y diodo 1N4004 Medidas de Tensión y Corriente para el Rectificador de Onda Completa con Tap Central Dato
Voltaje[V]
Corriente D1 [mA] Corriente D2 [mA] Corriente Tap[mA]
Entrada D.C.
0,23
N/A
N/A
N/A
Entrada RMS
13,73
N/A
N/A
N/A
Salida D.C.
11,55
5,58
Salida RMS
5,8
0,85
5,55 6,85
10,96 5,6
C. Rectif icador de Onda Completa Tipo Puente
En la figura 23 se muestra experimentalmente la rectificación de onda completa de una señal extraída de la red, disminuyendo la amplitud de la señal con un transformador de tap central de -14 V_0V_14 V con una frecuencia aproximada de 120 Hz pues los semiciclos negativos se invierten y la periodicidad de la señal hace que se dupliquen el ciclo útil y la frecuencia. Para esta topología de rectificación no se puede hacer una visualización de las señales de entrada y salida simultáneamente por no contar con la separación de tierras necesaria para este fin.
Figura 23. Señales de Entrada y Salida del Rectificador de Onda Completa Tipo Puente y diodo 1N4004
Las medidas de tensión se realizaron directamente sobre la carga de 1K Ω y las medidas de corriente se realizaron mediante una resistencia Shunt de 10 y midiendo la caída de tensión en sus terminales. Medidas de Tensión y Corriente para el Rectificador de Onda Completa Tipo Puente Dato
Voltaje[V]
Corriente D1 [mA] Corriente D2 [mA] Corriente Tap[mA]
Entrada D.C.
0,229
N/A
N/A
N/A
Entrada RMS
13,66
N/A
N/A
N/A
Salida D.C.
10,93
5,18
Salida RMS
5,8
6,51
1,053 5,66
5,28 6,64
X. PARTE A: ANÁLISIS DE RESULTADOS Y COMPARACIÓN (RECUPERACIÓN INVERSA) A.
: simulación- Osciloscopio- Datasheet - Diodo de propósito general: Para medir el tiempo de recuperación de los diodos montamos el circuito rectificador de media onda con el secundario del transformador de 14 Vp y observamos la señal de salida variando la frecuencia entre 6 Hz y 60 MHz. Para frecuencias menores a 6 kHz el efecto de recuperación inversa en el diodo 1N4004 es despreciable, por lo tanto no es medible como se observa en la figura 15. Para frecuencias muy altas tampoco se podía medir el tiempo de recuperación debido a que los instrumentos de medición como las sondas, que alcanzan solo hasta 6 MHz, y el multímetro dejan de funcionar correctamente y el tiempo de recuperación del diodo es tan largo que no alcanza a rectificar como debería. Comparando el valor típico de dado por el datasheet de 30 µs con los datos obtenidos mediante simulación y la práctica se puede concluir que el tiempo de recuperación inversa del diodo 1N4004 es medible entre 6 kHz y 60 kHz y
significativamente menor al dado por el fabricante proporcionando un mejor rendimiento de conmutación. - Diodo de recuperación rápida: Usamos el mismo circuito descrito anteriormente pero reemplazando el diodo por el 1N4148 y procedimos a medir variando la frecuencia. Para frecuencias bajas no es posible medir el tiempo de recuperación debido a la rápida conmutación del diodo. Aunque en altas frecuencias esperábamos poder medir el nos encontramos con un efecto capacitivo producido por las capacitancias parásitas de la protoboard, la sonda y el osciloscopio; así como la capacitancia de juntura del diodo por lo que obtuvimos a la salida una señal rectificada de media onda con filtro RC. Por ende entre cada semiciclo positivo de la tensión encontrábamos una caída exponencial. Finalmente realizamos las mismas mediciones en altas frecuencias y encontramos que el efecto capacitivo aparece a partir de los 3 MHz y aumenta proporcionalmente con la frecuencia. De ésta parte del laboratorio podemos concluir que es posible medir el en un diodo de recuperación rápida si se cuenta con mejores equipos que no tengan capacitancias parásitas tan grandes.
El datasheet nos proporciona un rango para la corriente de recuperación inversa comprendido entre los 5 y los 50 µA. Para el diodo de propósito general, igual que con el , solo pudimos obtener resultados a frecuencias de 6 y 60 kHz con resultados entre 1,6 y 6,9 mA. Este resultado nos lleva a concluir que las especificaciones del fabricante para corriente de recuperación inversa solo son válidas para frecuencias bajas. Por otro lado esta variación puede estar relacionada con parámetros propios de la medición puesto que los datos proporcionados por el fabricante se obtienen en condiciones bastante específicas e irrepetibles. Como ya se había explicado antes no fue posible tomar mediciones del fenómeno de recuperación inversa para el diodo 1N4148 debido a la alta capacitancia parásita del circuito que produjo un efecto de filtro RC.
XI. COMPARACIÓN DE CARACTERÍSTICAS: DIODO FR Y DIODO PG De manera experimental se ha podido observar ciertas características que diferencian a los diodos objeto de estudio de la práctica. Por un lado se tiene el diodo 1N4004 como diodo de propósito general, que hace hincapié en el significado de su nombre gracias las características que posee. Y también se encuentra el diodo 1N4148 como diodo fast recovery que también muestra en la realidad el motivo por el que se le ha dado ese nombre. El diodo de propósito general es una solución bastante económica para las necesidades de rectificación y resulta especialmente útil sabiendo (por la práctica desarrollada) que a la frecuencia nominal de la red eléctrica, el no es apreciable. No se posee suficiente información para afirmar que no existe, pero es despreciable en ese régimen. El diodo 1N4148 sin embargo, tiene la capacidad de cumplir con la misma funcionalidad con dos salvedades a considerar: La caída de potencial debida a la polarización de la juntura, es ligeramente mayor a la del diodo GP; al haber una caída de voltaje mayor, se tendrá una corriente mayor y por consiguiente un consumo de potencia ligeramente mayor.
Aclarando que para la mayoría de los casos, esta diferencia resulta irrelevante. El otro factor a tener en cuenta es que, debido a la respuesta más rápida del diodo FR, su conmutación es mejor y el sería aún más depreciable.
Por efectos del funcionamiento físico de los diodos, se presentan diferencias en su respuesta en frecuencia. Las gráficas tomadas con el osciloscopio sugieren que el diodo PG se comporta mejor a frecuencias altas debido a que la alta frecuencia sólo afecta la conmutación y necesita frecuencias más elevadas para distorsionar la señal. El diodo FR por su parte, debido a su capacitancia, al alcanzar niveles de frecuencia cercanos a 1MHz y superiores, comienza a deformar las señales en la etapa de caída en forma exponencial decreciente y la correcta operación se ve comprometida. La hoja de datos del fabricante del 1N4148[7] claramente define al diodo como diodo de conmutación rápida para pequeña señal, es decir que no fue diseñado para desempeñar de forma óptima el proceso de rectificación (gran diferencia con el propósito del PG[6]) pero para señales con amplitudes de décimas de milivoltios se presentará una respuesta de máximo rendimiento del dispositivo.
XII. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y COMPARACIÓN (RECTIFICADORES CARGA R) Los resultados obtenidos de las mediciones, cálculos teóricos y simulación se consignan a continuación para cada circuito rectificador: A.
Rectif icador de Media Onda:
Comparativa de Media Onda Fuente
Cálculos
4,56[V]
7[V]
4,56[mA]
3,5[mA]
Práctica
5,72[V]
7,08[V]
5,51[mA]
6,82[mA]
La variación entre los datos teóricos y los datos reales es aceptable y se debe a errores de medición típicos de los instrumentos así como de los valores reales de los elementos del circuito que tienen desviación con respecto a los nominales. B.
Rectif icador de Onda Compl eta con Tap Centr al
Comparativa Onda Completa con Tap Central Fuente
Cálculos
8,91[V]
9,89[V]
8,91[mA]
9,89[mA]
Práctica
11,55[V]
5,8[V]
10,96[mA]
5,6[mA]
C. Rectificador de Onda Completa Tipo Puente Comparativa Onda Completa Tipo Puente Fuente
Cálculos
8,91[V]
9,89[V]
8,91[mA]
9,89[mA]
Práctica
10,93[v]
5,8[V]
10,5[mA]
5,6[mA]
En los rectificadores de onda completa observamos una mayor variación de los valores obtenidos con respecto a los calculados. Respecto a la comparación entre los dos rectificadores de onda completa vemos mucha similitud entre los valores de tensión y corriente en la carga, tanto en DC como en AC. Este resultado concuerda con la teoría que nos muestra que el único resultado que varía entre los dos simuladores es el del TUF que presenta un mayor rendimiento en el rectificador tipo puente mostrando una ventaja sobre el del tap central ya que agregando dos diodos se puede disminuir sustancialmente el sobredimensionamiento del transformador.
XIII. ANÁLISIS Y ARGUMENTACIÓN LIMITACIONES EN EL FUNCIONAMIENTO DEL MULTÍMETRO Teniendo como entrada una señal senoidal de valor pico a pico de 20 Vpp para el rectificador media onda con el 1N4004 se realizaron mediciones en el osciloscopio del valor dc y RMS de la señal rectificada presentados en la tabla IX. Lo que se esperaría que pasara es que en un principio el valor Vdc fuera Vp/ π (3,18 V) y como el diodo poco a poco deja de rectificar correctamente hasta llegar a tener en la salida la misma forma de la señal de entrada (onda seno, la cual tiene valor DC d 0V), entonces este valor iría disminuyendo hasta llegar al punto que sea cercano a 0V. Todo lo contrario debería ocurrir con el valor RMS, en bajas frecuencias su valor sería Vp/2 (5 V), al aumentar la frecuencia el diodo deja de rectificar correctamente y por lo tanto el valor RMS llegaría hasta de una señal senoidal.
/√ 2 (7,07 V), el cual es el valor RMS
Al comparar el valor DC con lo esperado se observa que para bajas frecuencias (600Hz-6KHz) el error porcentual está alrededor del 5%, valor de error diferente al esperado para el funcionamiento del multímetro, aunque sería aceptable. Al aumentar la frecuencia el valor DC comienza a disminuir debido a que se deja de rectificar correctamente la señal se parece más a la entrada senoidal que tiene un valor DC de 0V, pero es difícil cuantificar el valor DC para cada alta frecuencia puesto que tiene una forma irregular debido a la y la lenta respuesta del diodo, por lo tanto tampoco se puede calcular el error.
Hay un mayor error en la medición del valor RMS, donde para una media onda rectificada debería ser un valor de Vp/2 (5 V) pero el error va desde el 25 hasta el 35% para frecuencias bajas, aunque el multímetro usado sea un Fluke 179 True RMS no logra medir correctamente el RMS, esto se debe a que la señal no tiene forma senosoidal pura sino que está medio ciclo con un valor de 0V debido a la rectificación, y el multímetro calcula valores RMS para ondas sonosoidales nada más. Para altas frecuencias como el diodo no rectifica correctamente se esperaría que
/√ 2
el voltaje RMS tienda a ser una señal senosoidal (7,07 V), por lo tanto debería aumentar. Al comprobar esta suposición con la ayuda del multímetro se encuentra que comienza a bajar el valor RMS de la señal de salida, contradiciendo la teoría, esto se debe a que la frecuencia de operación del multímetro llega hasta una frecuencia máxima de 100kHz en donde funciona adecuadamente, al sobrepasar esta frecuencia se pierde la precisión del Multímetro y afectando la medición.
XIV. ANÁLISIS Y ARGUMENTACIÓN LIMITACIONES EN EL FUNCIONAMIENTO DE LAS SONDAS ATENUADAS Y EL OSCILOSCOPIO La medición de tensión en el osciloscopio se hace mediante una sonda que como cualquier elemento de medida perturba al circuito, en este caso mediante una impedancia en paralelo conformada por una resistencia idealmente infinita y un capacitor que debería tender a cero. El comportamiento del circuito equivalente tendrá una variación con la frecuencia, lo que limita el comportamiento del circuito en frecuencias superiores, debido a las capacitancias, esto limito la medición con el osciloscopio luego de 600kHz. La limitación en frecuencia se puede mejorar al modificar uno de los polos de la función de transferencia del filtro, esto es disminuyendo el efecto capacitivo, como no es posible disminuirlo con el osciloscopio se han diseñado sondas que aunque atenúan la señal presentan una capacitancia menor equivalente, para el modo de la sonda 10x se tiene una capacitancia equivalente de típica de 17 pF.
XV. REFERENCIAS [1] M. H. Rashid, Electrónica de Potencia. Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones. Ingramex, 3ra ed., 2004. [2] F. J. B. F. M. P. G. A. Jaramillo, Multímetro Digital Fluke Modelos 170-180. Laboratorio de Electricidad y Magnetismo. [3] Fluke, Fluke Models 175, 177 & 179 True RMS Multimeters User Manual. Fluke Corporation, rev 1 ed., October 2003. [4] I. Uzináriz, Una Aproximación al Mundo de las Sondas. Tektronix Española S.A., Condesa de Venadito 1 - 5ˇr 28027 Madrid, 2005. [5] Tek, Digital Storage Oscilloscopes TDS1002, TDS1012, TDS2002, TDS2012, TDS2014, TDS2022, TDS2024. Tektronix, Enabling Innovation, April 2005. [6] G. Semiconductor, “General purpose plastic rectifier,” 1N4001 Thru 1N4007. [7] V. Semiconductors, “Small signal fast switching diodes,” Fast Switching Diode 1N4148, p. 4, October 2012. [8] Avtech, “How can i measure the reverse recovery time of power rectifiers?.”
