Holguín Moctezuma Luis E.
09610390
Leyva Zúñiga Jorge R.
08610371
Núñez Cruz Marylé
09610452
ii
iii iv
… ..
1
………………………………………………………………………
2
2.1 Rectificador de onda completa tipo puente doble.... ………..………..
2
2.2 Rectificador trifásico en puente ………………………….……………… ..
3
…..…………………………………………………………………………
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………………………………………………………………. ..
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……………………………………………………………………… ..
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……………………………………………………………………… ..…
11
………………………………………………………………………… .
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…………………………………………………………………...….
14
……………………………………………………………………… .…………
15
………..………………………
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iii
Figura 2.1
Rectificador de onda completa. …………………………………………
2
Figura 2.2
Rectificador trifásico en puente………………………………………..
3
Figura 2.3
Formas de onda……………………………………………………………
4
Figura 6.1
Circuito rectificador simulado en M ultisim……………………..……
11
Figura 6.2
Gráfica mostrada por osciloscopio en Multisim……………....……
11
Figura 7.1
Probador de voltaje. ……….……………………………… .……………. .
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iv
Tabla 4.1 Componentes electrónicos………………………………………………...
8
Tabla 4.2 Equipos y software…………………………………………………………..
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Tabla 7.1 Resultados de la simulación ………………………………………………
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v
Una de las tantas aplicaciones más importantes de los diodos, radica en el diseño de los circuitos rectificadores. Un diodo rectificador es esencial en las fuentes de alimentación de CD necesarias para alimentar equipos electrónicos. En electrónica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir una señal eléctrica alterna en una continua. Esto se realiza utilizando estos diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio. Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. Durante esta práctica se laborará con estos diodos rectificadores en el modo de tipo puente trifásico (onda completa) de tal manera que permita obtener la gráfica correspondiente. Se observará la forma de conexión de dicho dispositivo, las ecuaciones y sus voltajes tales como VDC, Vrms y Vm.
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A continuación se dará a conocer una breve información acerca del dispositivo electrónico denominado diodo rectificador, que es con el que se trabajará durante esta práctica.
2.1 Rectificador de onda completa tipo puente doble Se trata de un rectificador de onda completa en el que sólo es necesario utilizar transformador si la tensión de salida debe tener un valor distinto de la tensión de entrada.
Figura 2.1 Recificador de onda completa En la figura 2.1 se muestra el rectificador de onda completa con puente de Gratz, a fin de facilitar la explicación del funcionamiento de este circuito se denominará
2
D-1 al diodo situado más arriba y D-2, D-3 y D-4 a los siguientes en orden descendente. Durante el semiciclo en que el punto superior del secundario del transformador es positivo con respecto al inferior de dicho secundario, la corriente circula a través del camino siguiente:
Punto superior del secundario Diodo D-4
Diodo D-1
→
(+) Resistencia de carga R (-)
→
→
punto inferior del secundario.
→
En el semiciclo siguiente, cuando el punto superior del secundario es negativo y el inferior positivo lo hará por:
Punto inferior del secundario Diodo D-3
Diodo D-2
→
(+) Resistencia de carga R (-)
→
→
punto superior del secundario.
→
En este caso, se observa como la corriente circula por la carga, en el mismo sentido, en los dos semiciclos, con lo que se aprovechan ambos y se obtiene una corriente rectificada más uniforme que en el caso del rectificador de media onda, donde durante un semiciclo se interrumpe la circulación de corriente por la carga.
En ambos tipos de rectificadores de onda completa la forma de onda de la corriente rectificada de salida será la de una corriente continua pulsatoria, pero con una frecuencia de pulso doble de la corriente alterna de alimentación (Malvino, 2000).
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2.2 Rectificadores trifásicos en puente En la figura 2.2 se muestra un rectificador trifásico en puente el cual es de uso común en aplicaciones de alta energía. Este es un rectificador de onda completa. Puede operar sin o con transformador y genera componentes ondulatorias de seis pulsos en el voltaje de salida.
Figura 2.2 Rectificador trifásico en puente
El par de diodos conectados entre el par de líneas de alimentación que tengan la diferencia de potencial instantáneo más alto de línea a línea serán las que conduzcan. En una fuente conectada en estrella trifásica el voltaje de línea a línea
es √3 veces el voltaje de fase. Las formas de onda y los tiempos de conducción de los diodos aparecen en la figura 2.3.
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Figura 2.3 Formas de onda
Para determinar Vrms se tiene la ecuación 2.1
⁄ ⁄ ∫
(2.1)
Simplificando la ecuación 2.1 se tiene que
∫ [ ]
(2.2) 5
Resolviendo la ecuación 2.2 obtenemos
∫ ∫
(2.3)
Resolviendo la integral de la ecuación 2.3
||
(2.4)
Y solucionando los límites de la integral de la ecuación 2.4 se obtiene
⌈ ()⌉
(2.5)
Entonces se concluye que
(2.6)
Dónde Vm es el voltaje de fase pico
√
(2.7)
⁄ ∫ ⁄ Y para obtener
se tiene la ecuación 2.8
(2.8)
6
Integrando la ecuación 2. 8 se obtiene
⁄
(2.9)
y resolviendo los límites de la ecuación 2.9 se tiene que
concluyendo para obtener
(2.10)
se tiene la ecuación 2.10 (2.11)
Dónde Vm está dado en la ecuación 2.7.
Si la carga es puramente resistiva, la corriente pico a través de un diodo es:
√
(2.12)
Y el valor rms de la corriente del diodo es:
∫ [ ( )]
(2.13)
(2.14)
El valor de la corriente secundaria del transformador, es:
∫ [ ( )]
(2.15) (2.16)
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Donde
es la corriente de línea pico en el secundario (Rashid, 2004).
El objetivo de esta práctica será conocer el rectificador operacional a fondo, tanto sus aplicaciones como su funcionamiento así como explicar sus distintas configuraciones ya que como se ha mencionado con anterioridad los diodos rectificadores tienen muchas aplicaciones. Realizar la simulación correspondiente para así conocer las gráficas que arroja y su comportamiento cuando se varía alguno de sus
componentes, además de comprobar los resultados con los
realizados matemáticamente.
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En la tabla 4.1 se describen los componentes electrónicos que se necesitan para armar el rectificador tipo puente trifásico (onda completa); y en la Tabla 4.2 se enlistan los equipos y software que se necesitarán para revisar los parámetros del circuito.
Tabla 4.1 Componentes electrónicos Componente
Descripción
Figura
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6 Diodos
Componente de dos terminales que permite
Rectificadores
la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido, es decir, separa los ciclos positivos de una señal de corriente alterna. Una de las aplicaciones clásicas de los diodos rectificadores, es en las
fuentes
de
alimentación;
aquí,
convierten una señal de corriente alterna en otra de corriente directa.
Oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico, atenuando el 1 Resistencia de
libre flujo de circulación de las cargas
1KΩ
eléctricas o electrones. En está ocasión se utilizaran resistencias de ¼ w de potencia, la tolerancia es del 5%.
Tabla 4.2 Equipos y software Elemento
Descripción
Imagen
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Es una herramienta que integra una potente simulación SPICE y entrada de esquemáticos integrándolo en un
laboratorio
de
electrónica
sumamente intuitivo sobre un PC. Simulador Cuenta con las características de NI Multisim puntas
de
intercambio instrumentos
prueba de
industriales, datos
virtuales
y
con reales,
corrector de errores y sugerencias de cambios sobre el circuito. Instrumento
de
medición
electrónico para la representación Osciloscopio gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo.
Es una fuente de voltaje alterna Fuente de
con 3 fases y un neutro, que
voltaje alterna
arroja un voltaje aproximado de 440V.
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A continuación se presenta la enumeración de los pasos a seguir para realizar la práctica del rectificador tipo puente trifásico (onda completa) correctamente, esto se realizó en el simulador Multisim 11.0: a) Primero se asignó la práctica por el profesor. b) Identificar los materiales que se utilizarán para realizar la simulación del rectificador tipo puente trifásico. c) Ubicar los componentes necesarios requeridos para esta práctica en el software Multisim 11.0. d) Comenzar a conectar dichos componentes según el diagrama del rectificador tipo puente trifásico. e) Realizar la simulación en software (Multisim 11.0) para observar cómo funciona y si es lo que realmente se desea obtener. f) Para comprobar si la simulación es realizada correctamente se le conecta al circuito simulado un osciloscopio que lo podemos encontrar en las herramientas del Multisim. g) Realizar los cálculos adecuados, pruebas y comparaciones para comprobar que los resultados en las gráficas obtenidas en el simulador son iguales (similares) que las teóricas, y si es así, se concluye que la práctica fue realizada satisfactoriamente. h) Acudir a que el profesor revise y verifique los resultados de la práctica elaborada.
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i) j)
Capturar fotografías que serán requeridas en la elaboración del reporte. Guardar el material y equipo utilizados.
k) Elaborar el reporte de práctica correspondiente.
La práctica del diodo rectificador tipo puente trifásico se llevó a cabo sólo en el proceso de simulación. Es importante realizar tanto la simulación como el armado en físico, pero en este caso en especial solamente se desarrollará simulada ya que se trabaja con unos voltajes muy altos y puede ser peligroso para los alumnos. A continuación se muestra el proceso de simulación, que es el circuito del diodo rectificador en modo puente trifásico, donde se utilizaron 6 diodos 1N4004, una fuente de voltaje, una resistencia de 1k y un osciloscopio, todo esto desarrollado en el software Multisim 11.0 (figura 6.1).
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Figura 6.1 Circuito rectificador en Multisim El gráfico arrojado de este circuito fue el que se muestra en la figura 6.2 que se observa a continuación
Figura 6.2 Gráfica mostrada por el osciloscopio en Multisim
Para verificar que los resultados son los correctos se utiliza la ecuación requerida para este tipo de circuitos y se hace una sustitución de valores para obtener el valor de Vrms y así compararlos con los resultados que se obtuvieron en la simulación. Para ello se tomó una muestra de dicha simulación y de esta manera se observó que los valores son similares a los teóricos como se puede ver en la figura 7.1. 14
Para obtener el voltaje Vrms se tiene la ecuación 2.6
√ √
(2.6)
sustituyendo Vm (dado en la ecuación 2.7) en la ecuación 2.6 se obtiene que
Cuando
, encontramos que
Entonces
√ √ Para obtener
se tiene la ecuación 2.11 (2.11)
Sustituyendo Vm (dado en la ecuación 2.7) en la ecuación 2.11 se obtiene que
Cuando
, encontramos que
Entonces
En la figura 7.1 se muestran los resultados obtenidos por un probador de voltaje en el simulador Multisim 11.0
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Figura 7.1 Probador de voltaje Para la comprobación de resultados debe analizarse la tabla 7.1, donde se demuestra que los valores obtenidos son correctos y altamente aproximados a los calculados. Tabla 7.1 Resultados de la simulación Resultados
Mutisim 11.0
296 V
296 V
Ecuaciones
297.1262 V
297.07 V
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Como se puede observar, utilizando el software Multisim 11.0 se logró obtener gráficos de formas de ondas en distintas partes de los circuitos rectificadores, además se realizaron cálculos de todos los valores de interés para el caso de análisis y/o cálculos, como lo son los valores medios, valores rms, valores máximos y mínimos, entre otros, tanto de corriente como de tensión. Se analizaron gráficos y compararon valores obtenidos en Multisim con los calculados a través de ecuaciones, los cuales presentaron una aproximación bastante precisa y aceptable. Se aprecia que el simulador Multisim es una herramienta de gran utilidad debido a su gran cantidad de componentes eléctrico/electrónicos
con
los
cuales
se
puede
interactuar
y
desarrollar
aplicaciones.
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Malvino, A. P. (2000). Principios de Electrónica. Madrid. McGraw Hill. Rashid, M. H. (2004). Electrónica de potenica. México. Pearson Educación.
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