LABORATORIO Nº 1: CIRCUITOS ENCLAVADORES Y DOBLADORES DE VOLTAJE Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Nacional de Ingeniería Lima, Perú
ABSTRACT “Dans certains cas, en électricité, nous avons besoin de très hauts niveaux de tension. C’est le cas des tubes cathodiques utilisés dans les écrans couleurs. C’est pour cela que, dans cette expérience, nous analyserons les circuits multiplicateurs de tension grâce á un oscilloscope. Ces circuits sont composés de diodes, condensateurs et résistances et fonctionnent avec un faible niveau de puissance”.
I.
OBJETIVO
Estudiar las características de funcionamiento de los circuitos enclavadores (o fijadores) y dobladores de voltaje.
El circuito sujetador de nivel positivo C1 funciona de la 0.33µF XFG1
XSC2
D1 1N4004
XSC1
Ext Trig + _
R1 100kΩ
B A + _ + _
Ext Trig + _ B A + _ + _
siguiente forma:
II.
Marco teórico
Durante los semiciclos negativos el diodo esta polarizado en directa permitiendo que el capacitor C se cargué aproximadamente a VP (in) – 0.7V donde VP (in) es el voltaje pico de la señal de entrada. Después del pico negativo el diodo queda polarizado en inversa y esto es porque la carga positiva adquirida por el condensador bloquea al cátodo del diodo y busca descargarse a través de R. La idea es que el capacitor no se descargue totalmente cuando el diodo esta en inversa para así mantener una corriente continua aproximada a VP (in) – 0.7V que por superposición cambie el nivel DC de la señal de entrada.
Para calcular la constante de tiempo de carga y descarga del condensador del se emplea la formula:
Diodo 1N4004
T= R∙C Una regla práctica de diseño es hacer que la constante de tiempo RC sea 10 veces el valor del periodo de la señal de entrada. Si invertimos la polaridad del diodo y la del capacitor obtenemos un Sujetador de nivel negativo.
Osciloscopio TEKTRONIX
Salida
III.
EQUIPOS Y MATERIALES
Los materiales a utilizar en el laboratorio son:
02 Diodos 1N4004. 01 Resistor de 100KΩ, 0.5W. 02 Condensadores de 0.33μF, 50V, sin polaridad. 01 Juego de alambres. 03 Puntas de prueba – coaxial. Cables con bananas. 01 Osciloscopio TEKTRONIX – COLOR. 01 Maqueta de trabajo. Cables de conexión.
Maqueta de trabajo
IV.
CUESTIONARIO
1.- Haga una tabla comparando los valores teóricos con los valores experimentales. Los valores teóricos se pueden obtener mediante una simulación, obteniendo así un margen de error muy pequeño.
La tabla comparativa es: Valor Teórico Los valores marcados por los multímetros nos darán los valores teóricos. Luego, la tabla comparativa es: Valor Teórico VAB VBC
-17.528 17.528
Valor Experimen tal -17.6 17.6
VAB VBE VCD VDE
21.529 -21.529 21.528 -43.057
Valor Experimen tal 21.48 -21.4 21.3 -42.5
2.- ¿Por qué en el paso 3, la tensión DC es mayor que la tensión pico de entrada? Si el voltaje de entrada es alterno, el capacitor y el diodo ubicados de esa forma harán que el voltaje de salida sea continuo.
El nuevo voltaje vendría a ser:
Vo= A + Asen (wt ) Donde:
V (t)=Asen( wt ) Luego el voltaje en DC medido por el multímetro en la salida sería el voltaje promedio de la onda superior, siendo este mayor que el voltaje pico de la señal de entrada (onda inferior). 3.- ¿Por qué la tensión DC, en el paso 7 es positiva? Al pasar la comba positiva de la señal de entrada, el diodo D1 se convierte en un cortocircuito ya que el capacitor por estar descargado es también un cortocircuito. Al ocurrir esto, el capacitor se carga a valores cercanos al pico (positivo) de la señal de entrada.
Debido a que el voltaje medido del diodo esta aumentado en el valor del voltaje pico, esto provoca que la señal este prácticamente por encima de la recta horizontal que representa en voltaje 0; al no tener cavidades negativas, no se puede esperar un voltaje negativo; ni el eficaz ni la media.
4.- ¿Qué error hay entre los valores teóricos con los experimentales?
El cálculo del error porcentual se realiza de la siguiente manera:
Error( )=
Al disminuir la señal de entrada del valor pico, el capacitor no lo puede hacer tan rápidamente, entonces, este quedara cargado a un valor cercano al pico. Cuando la señal de entrada empieza a bajar hasta el valor valle (mínimo valor de la señal), el diodo D2 se convertirá en un cortocircuito, y el diodo D1 será un circuito abierto. El capacitor que se encuentra descargado en serie con el D2, se empezara a cargar; pero este se cargara al doble del valor del valle; esto ya que el primer capacitor contribuirá a la carga del segundo, por estar ya cargado. Ya comentado esto, nos ubicamos en el valor medido en el paso 7; entre los extremos del diodo. Al estar cargados los capacitores, estos provocaran un corrimiento de voltaje entre los extremos del diodo; pero debido a que el segundo capacitor se encuentra cargado con mayor valor que el primero, la tensión que medirá en el diodo será la señal de entrada corrida hacia arriba con un valor igual (en teoría) al valor pico de entrada; esto se observara con mayor detalle en la simulación de la señal medida en el diodo 2 (D2).
VAB VBE VCD VDE
V teórico −V exp x 100 V exp
Valor Valor Teóric Experimen Error(%) o tal 21.52 0.227599 21.48 9 981 0.599191 21.52 -21.4 788 9 21.52 1.059085 21.3 8 842 1.293634 43.05 -42.5 02 7
Se observa que se obtuvieron buenos cálculos con bajos porcentajes de error. Ello pudo ser debido al buen funcionamiento de los materiales como por ejemplo el multímetro, el osciloscopio, los diodos, etc. 5.- Haga los gráficos de las formas de onda en los circuitos.
“En esta imagen se puede apreciar la simulación del circuito enclavador de voltaje.”
“En la siguiente imagen se puede ver la forma de onda de la entrada (Celeste) y la forma de onda en la salida (Verde).”
“En la siguiente imagen se puede ver la forma de onda de la entrada (Celeste) y la forma de onda en el capacitor (Violeta).”
“En esta imagen se puede apreciar la simulación del circuito doblador de voltaje.”
“En la siguiente imagen se puede ver la forma de onda de la entrada (Celeste), la forma de onda en el capacitor 2 (Amarillo) y la forma de onda en el diodo 1 (Verde).”
“En la siguiente imagen se puede ver la forma de onda de la entrada (Celeste) y la forma de onda en el diodo 2(Verde).”
de filtros con condensador, y que se utilizan en las fuentes de poder. Asimismo, en estos circuitos multiplicadores, la resistencia a trabajar deberá poseer un valor muy grande, no generando consumo de potencia.
V.
OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
VI.
Aplicaciones
“En la siguiente imagen se puede ver la forma de onda de la entrada (Celeste) y la forma de onda en el capacitor 1 (Amarillo).”
6.- Indique conclusiones.
sus
observaciones
y
Se trabajó con el osciloscopio digital Tektronix, aprendiéndose su calibración y sus características relacionadas a las señales, así como su respectiva visualización Se estudió el funcionamiento de los circuitos enclavadores, aprendiendo como desplaza la señal alterna hacia un nivel positivo de tensión continua. Para los circuitos dobladores, no se llega instantáneamente al doble del valor máximo de la señal. Esta recién se alcanza después de un número determinado de ciclos. Los circuitos multiplicadores, en nuestro caso, trabajamos con los dobladores, se utilizan para la generación del alto voltaje requerido en los tubos de rayos catódicos, tubos de rayos X, para alimentar fotomultiplicadores para detectores de rayos gamma. También se utiliza para la generación de altos voltajes para experimentos relacionados a alta energía. A estos circuitos básicos se le denominan Multiplicadores de Tensión y tienen un sinnúmero de aplicaciones sin la necesidad de utilizar transformadores con devanados centrales. Se basan en la modificación de los circuitos
1.
flyback
Estos circuitos que hemos visto sirven para conseguir unas tensiones grandes y por ello se pueden usar en los "Tubos de Rayos Catódicos".
Los
electrones deben ser acelerados para chocar con la pantalla a una velocidad muy grande, se excita un electrón de fósforo y al volver cede energía en forma de luz. Para acelerar los electrones hace falta una tensión muy grande para que cojan velocidad. Para ello se coloca un flyback . Un transformador flyback o transformador de líneas es un tipo de transformador que genera una alta tensión necesaria para hacer funcionar un tubo de rayos catódicos (CRT). Este transformador genera un
voltaje de unos 18 kilovoltios DC (corriente continua) en el caso de tubos monocromos, o de 20 a 30 kilovoltios DC para un tubo en color. Esta tensión tan elevada no siempre sale en su totalidad del flyback, sino que en el circuito del mismo aparato que lo use (un televisor o un monitor) puede incorporar un multiplicador de voltaje, normalmente un triplicador, que entregaría el voltaje previsto de 18 a 30 kV para la alimentación del ánodo del CRT. Al conectarlo con un circuito de bombillo ahorrador de 1530watts produce un muy alto voltaje por el cual se le conoce como Rayo de la muerte.
Bobina: es un transformador inductivo con núcleo de hierro y dos devanados, uno de pocas espiras alimentado con el voltaje de batería (12V) desde el contacto o primario, y otro paralelo con 1000 veces más espiras, llamado secundario, genera en el devanado secundario una corriente de alta tensión, en este caso 12000 V, cuando se interrumpe bruscamente el circuito de primario
2. Encendido de motor de un automóvil
El encendido del motor es un sistema de producción y distribución, en el caso de más de un cilindro, de la chispa de alta tensión necesaria en la bujía para producir el encendido provocado en los motores de gasolina (ciclo Otto) ya sean de 2 o de 4 tiempos (2T y 4T).
VII. BIBLIOGRAFÍA ELECTRÓNICA: TEORÍA DE CIRCUITOS Capitulo 2: Análisis de Circuitos con Diodos. Robert L. Boylestad Louis Nashelsky. Sexta edición
