Informe de Laboratorio de Circuitos Rectificadores y Filtro dc_OFICIAL.pdf

Informe de Laboratorio de Circuitos Rectificadores y Filtro dc Salvador Gallardo Riquelme, Nicolás Muñoz Arias Ingeniería Civil Biomédica, Departamento Ingeniería Eléctrica, Universidad de Concepción, Concepción, Chile. [email protected] [email protected]

Abstract- - El siguiente documento se desarrolla entorno a los circuitos con rectificadores de onda completa y media, con y sin filtro con el objeto de conocer los diferentes parámetros y particularidades de los rectificadores, tales como tensión, corriente, forma de onda, potencia consumida, ya sea activa o reactiva, así como también su factor de potencia. Además de visualizar y determinar el factor de ripple del voltaje al incluir en el circuito un filtro capacitivo. Para ello se implementaron circuitos en un protoboard usando un trasformador, diodos, resistencias, elementos almacenadores de energía como un condensador, para así posteriormente mediante un osciloscopio observar cómo se comportaban las diferentes señales así como también calcular los diferentes valores característicos de estas. De la misma forma se trabajó para el factor de ripple del voltaje, el cual se pudo obtener con los valores máximos y mínimos que nos mostraba la señal. En efecto, logramos ver que el factor de ripple se ve afectado en proporción directa por el valor numérico del condensador, así como la señal se vuelve cada vez más continua y perfecta en el plano horizontal a medida que el condensador aumenta su valor. Finalmente podemos afirmar que las alteraciones del voltaje y el rizado que nos muestra la señal de un circuito con rectificador y filtro capacitivo son relevantes al momento de analizar las variaciones de tensión que es capaz de soportar un dispositivo electrónico para así no sufrir daños.

I.

INTRODUCCIÓN

Un diodo o un diodo semiconductor es un componente electrónico que solo permite paso de corriente en un sentido y dependiendo de cómo se polarice, ya sea directamente ofreciendo una baja resistencia o inversamente con una altísima resistencia este se comporta como un conductor o un aislante. Un diodo además actúa como rectificador, es decir transforma corriente alterna en corriente continua, ya sea para rectificadores de media onda o de onda completa. De igual importancia es saber que mediante un capacitor (que se opone a los cambios bruscos de tensión) se puede generar un filtro capacitivo el cual permite disminuir el rizado de la señal continua, con lo cual se evitan las variaciones de esta, de forma ideal si la capacitancia es infinita la señal será una línea recta horizontal continua perfecta. Esto es hablando en un tono teórico, por lo que en el desarrollo del informe se detallan tanto los pasos como la forma en que se hizo cada implementación empírica de los circuitos con rectificadores, ya sea de media onda, de onda completa, con y sin filtro capacitivo. Se muestran los resultados numéricos de los diferentes valores característicos de las señales obtenidos tanto de mediciones como de los

datos entregados por el osciloscopio, el cual también nos muestra cómo se comportan las diferentes señales, para así comprobar la veracidad de las afirmaciones teóricas sobre el rizado y su relación con el valor de capacitancia, de la misma forma se expondrán las inferencias, comentarios, conclusiones y/o deducciones de los resultados obtenidos.

II.

A. 1)

MATERIALES Y MÉTODOS

Materiales:

Equipos: Para poder ejecutar la implementación de los circuitos fue necesario contar con: •

Osciloscopio: Tektronix channel,(60MHz, 1GS/s)

•

Multímetro Digital: Meterman Modelo 37XR

•

Transformador reductor (220 Vrms / 12 Vrms).

TDS

1002B

two

2)

Componentes: En esta categoría tenemos: • • • •

Protoboard. Cables de Conexión. 2 Resistencias de 101[Ω] y de 470 [Ω]. 3Condensadores de 10 µF/50V, 100 µF/50V, 1000 µF/50V. 1 Diodo 1N4007. 1 Diodo LED.

• •

Ecuación 2. Voltaje Medio en los Terminales de la Carga.

√2 Ecuación 3.Relacion Valor rms y Valor Peak de una Señal.

Ecuación 4.Potencia Aparente.

B.

Métodos

cos Ecuación 5. Potencia Activa.

Los tópicos teóricos que son necesarios como conocimientos previos para la correcta realización de las actividades prácticas próximamente descritas son los siguientes: •

Transformador: es un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir el voltaje en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. Ahora bien si el transformador es ideal la potencia que entra es igual a la que sale, proceso que no perdidas de potencia

•

Rectificador: Es un elemento compuesto por diodos semiconductores, el cual principalmente permite convertir la corriente alterna en corriente continua, en el presente trabajo se usaron rectificadores de media onda y rectificador de onda completa tipo puente.

•

Ripple: Al rectificar una señal de corriente alterna a corriente continua es muy probable que quede una pequeña porción de la componente alterna en la señal continua rectificada, este resto es lo que se conoce como ripple o rizado.

•

Filtro capacitivo: Un filtro de este tipo tiene la facultad de reducir el rizado de una señal. El filtro utilizado para los fines de este informe es condensador.

B.1

Ecuaciones

Las expresiones matemáticas que nos permiten obtener distintos resultados numéricos son:

Ecuación 1. Corriente Media en los Terminales de la Carga.

Ecuación 6. Potencia Reactiva, Obtenida del Triángulo de Potencias.

! Ecuación 7.Factor de Potencia de una Señal.

"

#

Ecuación 8. Ripple o Rizado de una Señal con Rectificador y Filtro.

#º %& "' #º %& "' &#

&# &#

Ecuación 9. Razón de Transformación de un Transformador de Aislación.

III.

DESARROLLO

Esta experiencia tiene como objetivo implementar 2 fuentes de poder, la primera será una fuente de poder con ratificadores de media onda y la otra estará conformada por rectificadores de onda completa. Una vez implementadas, cada experiencia se subdividirá en 3 actividades que consistirán en incorporar un capacitor que su función será actuar como filtro para obtener una señal de salida más parecida a una línea continua perfecta. Primero, se empezara con la implementación de la fuente de poder de media onda, por lo que será necesario constar con los materiales y equipos ya descritos anteriormente, la idea principal de esta fuente de poder es que la configuración del diodo, permitirá el paso de la señal solo en el semiciclo positivo, pues en ese instante el semiconductor estará actuando como conductor y en el otro semiciclo el diodo estará inversamente polarizado. Dicho comportamiento se debe a que la fuente de poder es alimentada por una señal

IV.

RESULTADOS

Vinput

Trafo

D1 Rled

R1 101Ω

220 Vrms/ 50 Hz

Led

Fig.1 Fuente de Poder de Rectificador de Media Onda sin Filtro Capacitivo. 1n4007

D1

Trafo

Rled

C 10µF

220 Vrms/ 50 Hz

R1 101Ω

18:1

Fig.2 Fuente de Poder de Rectificador de Media Onda con Filtro Capacitivo de 10µF.

1n4007 D1

Trafo

Rled

C 100µF

220 Vrms/ 50 Hz

R1 101Ω

470Ω

Led

18:1

Fig.3 Fuente de Poder de Rectificador de Media Onda con Filtro Capacitivo de 100µF.

A continuación, se entregaran los datos obtenidos en cada una de las experiencias:

1n4007

Vinput

A. Experiencia N° 1: Fuente de Poder con Rectificadores de Media Onda

470Ω

18:1

Vinput

Y en la otra experiencia, lo que se deberá implementar será una fuente de poder configurada con rectificadores de onda completa. La característica de este tipo de configuración aparte de rectificar la onda alterna y llevarla a continua, es que por su configuración de 4 diodos en el semiciclo positivo estarán operando 2 diodos y los 2 restantes se comportaran como aislantes, mientras que en el semiciclo negativo será viceversa, por lo que se tendrá como salida una señal continua en todo su periodo pero ahora su frecuencia aumento al doble de la frecuencia de entrada. Al igual que en la experiencia anterior, se le insertaran los mismos 3 condensadores en paralelo a la carga, para poder disminuir el voltaje de rizado de la señal y hacer la fuente de poder más efectiva. Dicha efectividad, estará determinada por el factor de potencia, que estará dada por la relación de consumo de la potencia aparente y la activa.

1n4007

Vinput

alterna, variante en el tiempo que es obtenida de la red eléctrica y llevada a un transformador para poder reducir su valor de tensión, manteniendo su forma de señal y su potencia. En la salida del rectificador se podrá visualizar una señal continua en la carga y para poder visualizar su efecto se conecta en paralelo a dicha carga un diodo led. Y así es como se pude obtener una fuente de poder, pero para efectos prácticos de la electrónica, se necesario obtener una señal de salida mucho más continua, semejante a una señal continua perfecta. Es por ello, que a la fuente de poder se le implementaran 3 tipos de condensadores que trataran de eliminar el voltaje de rizado, ya que a mayor capacitancia menor será el voltaje de rizado en la salida.

Trafo

D1

470Ω Rled

C 1000µF

220 Vrms/ 50 Hz

R1 101Ω

18:1

En esta sección, se podrá visualizar a fuentes de poder con rectificadores de media onda, en primer lugar implementando solamente el circuito sin ningún filtro como se puede ver en la fig.1, además con el fin de llevar a la perfección la señal continua, se presenta en la fig.2 la fuente de poder con un filtro de 10µF, y en las fig.3 y fig.4, ya se puede apreciar el fenómeno de reducción de rizado de la señal, que se lleva a cabo aumentado la capacitancia del filtro. Además, en la tabla I, podemos apreciar los voltajes de entrada y salida del transformador, que son fundamentales para conocer los parámetros en los que estará trabajando el rectificador de media onda.

Fig.4 Fuente de Poder de Rectificador de Media Onda con Filtro Capacitivo de 1000µF. TABLA I Parámetros de Voltaje del Transformador. PARAMETRO VOLTAJE PRIMARIO Vpri VOLTAJE SECUNDARIO Vsec

Teórico Vrms 220 V Vmax 311,1 V Vmedio 0V Vrms 12 V Vmax 16,9 V Vmedio 0V

Experimental Vrms 222 V Vmax 313,9 V Vmedio 0V Vrms 11,6 V Vmax 16,4 V Vmedio 0V

En las figuras 5, 6,7 y 8, se muestra la forma de salida de la señal continua obtenida a través del osciloscopio que fue conectado en paralelo a la carga, para así obtener los parámetros de voltaje medio, ver la forma del rizado, y a la vez comprender que sucedía cuando se cambiaban los valores del filtro capacitivo, dichos valores se encuentran tabulados en las tablas II, III, IV, V, que corresponden al rectificador de media onda sin filtro capacitivo, con filtro capacitivo de 10µF, 100 µF y 1000µF, respectivamente.

Fig. 8 Señal de Salida de Rectificador de Media Onda con Filtro Capacitivo de 1000µF. TABLA II Parámetros Obtenidos de la Carga a Través del Osciloscopio y Cálculos Teóricos de Fig.1. PARAMETRO VOLTAJE CARGA (RESISTENCIA)

CORRIENTE CARGA Fig. 5 Señal de Salida de Rectificador de Media Onda sin Filtro Capacitivo.

POTENCIA APARENTE [S] POTENCIA ACTIVA [P] POTENCIA REACTIVA [Q] FACTOR DE POTENCIA RIPPLE VOLTAJE SALIDA [∆V] FACTOR DE RIPPLE PERIODO Y FRECUENCIA VOLTAJE DIODO VOLTAJE DIODO LED VOLTAJE RESISTENCIA LED

CALCULO Vrms 8,4 V Vmax 16,4 V Vmedio 5,3 V Vmin 0V Imedio 51,7 mA Imax 73,1 mA S=Vrms*Irms 0,286 [VA] P=Vmed*Imed 268,8 m[W] Q= (S2-P2)1/2 0,098 [VAr] F.P = P / S Vmax

0,94 -

Vmin -

(∆V / Vdc) T F -16,4 V 1V 4,3 V

0,02 s 50 Hz

TABLA III Parámetros Obtenidos de la Carga a Través del Osciloscopio y Cálculos Teóricos de Fig.2. Fig. 6 Señal de Salida de Rectificador de Media Onda con Filtro Capacitivo de 10µF.

PARAMETRO VOLTAJE CARGA (RESISTENCIA)

CORRIENTE CARGA POTENCIA APARENTE [S] POTENCIA ACTIVA [P] POTENCIA REACTIVA [Q] FACTOR DE POTENCIA RIPPLE VOLTAJE SALIDA [∆V]

CALCULO Vrms 8,39 V Vmax 16,4 V Vmedio 5,45 V Vmin 0V Imedio 52,6 mA Imax 74,4 mA S=Vrms*Irms 0,979 [VA] P=Vmed*Imed 0,276 [W] Q= (S2-P2)1/2 0,93 [VAr] F.P = P / S 0,28 Vmax

Vmin

16,4V

FACTOR DE RIPPLE PERIODO Y FRECUENCIA

Fig. 7 Señal de Salida de Rectificador de Media Onda con Filtro Capacitivo de 100µF.

VOLTAJE DIODO VOLTAJE DIODO LED VOLTAJE RESISTENCIA LED

(∆V / Vdc) T F -16,4 V 1V 4,3 V

3,01 0,02 s 50 Hz


CALCULO Vrms 10,2 V Vmax 16,4 V Vmedio 9,22 V Vmin 3V Imedio 90,3 mA Imax 127,7 mA S=Vrms*Irms 2,55 [VA] P=Vmed*Imed 0,83 [W] Q= (S2-P2)1/2 2,41 [VAr] F.P = P / S 0,33 Vmax

Vmin

13,4

FACTOR DE RIPPLE PERIODO Y FRECUENCIA VOLTAJE DIODO VOLTAJE DIODO LED VOLTAJE RESISTENCIA LED

(∆V / Vdc) T F -16,4 V 1,8 V 7,2 V

1,45 0,02 s 50 Hz

TABLA V Parámetros Obtenidos de la Carga a Través del Osciloscopio y Cálculos Teóricos de Fig.4. PARAMETRO VOLTAJE CARGA (RESISTENCIA)


CALCULO Vrms 14,6 V Vmax 16,4 V Vmedio 14,6 V Vmin 12,8 V Imedio 148,9 mA Imax 0,21 A S=Vrms*Irms 7,05 [VA] P=Vmed*Imed 2,44 [W] Q= (S2-P2)1/2 6,62 [VAr] F.P = P / S 0,35 Vmax

Vmin

Vinput

Rled R1

101Ω

18:1

Led

Fig.9 Fuente de Poder de Rectificador de Onda Completa sin Filtro Capacitivo.

Vinput

PARAMETRO VOLTAJE CARGA (RESISTENCIA)

Trafo

Trafo

470Ω Rled

220 Vrms/ 50 Hz

C 10µF

R1

101Ω

18:1

Led

Fig.10 Fuente de Poder de Rectificador de Onda Completa con Filtro Capacitivo de 10µF.

Vinput

TABLA IV Parámetros Obtenidos de la Carga a Través del Osciloscopio y Cálculos Teóricos de Fig.3.

Trafo

470Ω Rled

220 Vrms/ 50 Hz

C 100µF

R1

101Ω

18:1

Led


3,6 V

PERIODO Y FRECUENCIA VOLTAJE DIODO VOLTAJE DIODO LED VOLTAJE RESISTENCIA LED

(∆V / Vdc) T F -16,4 V 1V 13 V

0,246 0,02 s 50 Hz

Vinput

FACTOR DE RIPPLE

Trafo

Rled

220 Vrms/ 50 Hz

C 1000µF

18:1

B. Experiencia N° 2: Fuente de Poder con Rectificadores de Onda Completa

En esta otra sección, encontraremos la implementación de una fuente de poder tipo puente con rectificadores de onda completa tal y como aparece en la figura 9, en las demás figuras 10, 11,12, se muestran los circuitos implementados con un filtro capacitivo de variados valores, respectivamente.

470Ω

R1

101Ω Led


A continuación, se entregaran en las tablas los valores extraídos a través de las mediciones experimentales y teóricas, de parámetros de gran relevancia en el manejo de las señales de salida. Además, se podrá visualizar dichas señales desde la figura 13 hasta la figura 16.

TABLA VI Parámetros Obtenidos de la Carga a Través del Osciloscopio y Cálculos Teóricos de Fig.9. PARAMETRO VOLTAJE CARGA (RESISTENCIA)

CORRIENTE CARGA POTENCIA APARENTE [S] POTENCIA ACTIVA [P] POTENCIA REACTIVA [Q] FACTOR DE POTENCIA RIPPLE VOLTAJE SALIDA [∆V] FACTOR DE RIPPLE PERIODO Y FRECUENCIA VOLTAJE DIODO VOLTAJE DIODO LED VOLTAJE RESISTENCIA LED

CALCULO Vrms 11,2 V Vmax 15,6 V Vmedio 9,82 V Vmin 0V Imedio 98,3 mA Imax 139 mA S=Vrms*Irms 1,57 [VA] 0,96 [W] P=Vmed*Imed Q= (S2-P2)1/2 1,24 [VAr] F.P = P / S 0,615 Vmax Vmin (∆V / Vdc) T 0,01 s F 100 Hz -16,2 V 1,66 V 7,84 V

TABLA VII Parámetros Obtenidos de la Carga a Través del Osciloscopio y Cálculos Teóricos de Fig.10. PARAMETRO VOLTAJE CARGA (RESISTENCIA)


CALCULO Vrms 11,1 V Vmax 15,4 V Vmedio 9,94 V Vmin 1,2 V Imedio 95,4 mA Imax 134,9 mA S=Vrms*Irms 1,62 [VA] P=Vmed*Imed 0,95 [W] Q= (S2-P2)1/2 1,32 [VAr] F.P = P / S 0,58 Vmax

Vmin

RIPPLE VOLTAJE SALIDA [∆V] Vmax

Vmin

7V


(∆V / Vdc) 0,55 T 0,01 s F 99,6 Hz -16,2 V 1,83 V 10,1 V

TABLA IX Parámetros Obtenidos de la Carga a Través del Osciloscopio y Cálculos Teóricos de Fig.12. PARAMETRO VOLTAJE CARGA (RESISTENCIA)


CALCULO Vrms 14,6 V Vmax 15,2 V Vmedio 14,6 V Vmin 14 V Imedio 147,3 mA Imax 208,3 mA S=Vrms*Irms 5,74 [VA] P=Vmed*Imed 2,15 [W] Q= (S2-P2)1/2 5,32 [VAr] F.P = P / S 0,37 Vmax

Vmin

1,2 V


(∆V / Vdc) 0,082 T 0,01 s F 93,7 Hz -16,2 V 1,84 V 13 V

14,2 V


(∆V / Vdc) 1,43 T 0,01 s F 99,8 Hz -16,2 V 1,76 V 7,89 V

TABLA VIII Parámetros Obtenidos de la Carga a Través del Osciloscopio y Cálculos Teóricos de Fig.11. PARAMETRO VOLTAJE CARGA (RESISTENCIA)

CORRIENTE CARGA POTENCIA APARENTE [S] POTENCIA ACTIVA [P] POTENCIA REACTIVA [Q] FACTOR DE POTENCIA

CALCULO Vrms 12,9 V Vmax 15,6 V Vmedio 12,7 V Vmin 8,6 V Imedio 118,5 mA Imax 167,6 mA S=Vrms*Irms 3,102 [VA] 1,50 [W] P=Vmed*Imed Q= (S2-P2)1/2 2,71 [VAr] F.P = P / S 0,49

Fig. 13 Señal de Salida de Rectificador de Onda Completa sin Filtro Capacitivo.

que en la práctica dicha resistencia sufrió daños en su estructura, ya que para determinar su valor óhmico, solo se tomó en cuenta el valor máximo de corriente en la carga y su voltaje, por lo que se dejó de lado el valor máximo que disipa de potencia, una solución es colocar más resistencia en serie que sean equivalentes en su valor para así aumentar el valor de potencia a disipar y eliminar posibles daños en el componente.

Fig. 14 Señal de Salida de Rectificador de Onda Completa con Filtro Capacitivo de 10µF.


Volviendo a la pregunta, tenemos que las componentes armónicas que se encuentran presentes en la corriente de entrada de estos circuitos no lineales pueden generar algún tipo de potencia de distorsión de la señal, y si no se toman en cuentan pueden causar daños al sistema, es por ello que a menor armónicos mayor será el rendimiento y se tendrá una señal más limpia, pero al contrario si dicho armónico afecta de manera considerable la señal sinusoidal, también se verá afectado el factor de potencia, dicho factor es conocido y descrito en el presente informe se inserta en un contexto con las ondas de voltaje sinusoidales y las cargas lineales , cuando esto no es así es decir cuando los sistemas eléctricos y/o electrónicos cuentan con una gran cantidad de cargas no lineales, lo que hace que la potencia aparente exceda a la potencia activa, es necesario usar el concepto de factor de potencia de distorsión el cual se define como la razón de la corriente de la frecuencia y la corriente rms, es así como finalmente se llega al factor de potencia total , el cual se expresa como el producto del factor de potencia (para voltajes sinusoidales y cargas lineales) por el factor de potencia de distorsión. En cuanto a que es una fuente de voltaje regulada, se podría decir que es un elemento electrónico llamado regulador de voltaje que es implementa en el circuito y su función es la de corregir y/o estabilizar automáticamente las variaciones de voltaje de la señal de salida. Es bastante útil, para circuitos electrónicos que son muy sensibles a dichas variaciones.

V.


C. Pregunta de Investigación Antes de dar respuesta a la pregunta de investigación, se tratara el tema del cálculo de la resistencia de los circuitos, ya

CONCLUSIÓN

Por medio de la ejecución empírica en el laboratorio, de las distintas experiencias descritas, en conjunto a los conceptos teóricos adquiridos en clases podemos comentar en primer orden que al realizar la medición de corriente del transformador , podemos observar en la pantalla del multímetro que aparece un valor determinado el cual rápidamente disminuye, esto de sebe a que el transformador tiene una bobina la cual se carga rápidamente y genera un valor máximo en un pequeño instante, el cual baja debido a que la bonina completa su ciclo de descarga.

Por otro lado en los circuitos de onda completa con un rectificador de tipo puente se observa que la frecuencia aumenta al doble con respecto a un circuito rectificador de media onda (un diodo semiconductor) ya que el rectificador tipo puente está conformado por 4 diodos semiconductores pero dependiendo en que semiciclo se encuentre (positivo o negativo) solo conducen dos de estos diodos , por lo tanto genera el doble de la frecuencia de entrada en la salida así como el periodo se reduce a la mitad. Además estos circuitos al incorporarles un filtro capacitivo comienzan a disminuir el rizado en proporción inversa al valor de capacitancia del condensador es decir, considerando los datos numéricos obtenidos así como la forma de la señal obtenida del osciloscopio se puede afirmar y demostrar que si el condensador tuviese un valor infinito el rizado tendería a cero, de modo que se observaría una línea continua, perfecta, en el eje horizontal. Es necesario acotar que tal caso en la práctica no se da, pero si se puede llegar a observar un valor del rizado muy pequeño y una señal casi perfectamente continúa. Finalmente consideramos de carácter relevante comentar que, al analizar el factor de potencia de los circuitos rectificadores tipo puente con filtro, podemos observar de los datos numéricos que si aumenta la capacitancia, el factor de potencia disminuye es así como podemos deducir que la potencia reactiva debiese aumentar a medida que disminuye el factor de potencia debido a que la potencia reactiva se relaciona con condensadores y bobinas.

VI.

BIBLIOGRAFÍA

[1]

Pablo Aqueveque, (2014), Guía de Laboratorio N°1: “Circuitos Rectificadores y Filtro dc”, Marzo 2014.

[2]

Pablo Aqueveque, Apunte Complementario Laboratorio de Electrónica “Rectificadores”, Abril 2014.

[3]

Pablo Aqueveque, Apuntes “Diodos”, Marzo 2014.

[4]

C. J. Savant, Martin S. Roden, Gordon L. Carpenter “Diseño Electrónico”, Capitulo 1:”Analisis de Circuitos con Diodos Semiconductores”

VII.

OBSERVACIONES Y CUADRO DE EVALUACIÓN

ÍTEM PRESENTACIÓN INVESTIGACIÓN LISTADO DE MATERIALES Y EQUIPOS DESCRIPCIÓN DE ACTIVIDADES, RESULTADOS Y COMENTARIOS SIMULACIÓN COMPUTACIONAL (MOSTRAR AL PROFESOR) DISEÑO Y CÁLCULO TOTAL

MÁXIMO 1.0 0.5 0.5 2.0 1.0 1.0

PUNTAJE

Informe de Laboratorio de Circuitos Rectificadores y Filtro dc_OFICIAL.pdf

Recommend Documents