ACADEMIA DE ELECTRÓNICA LABORATORIO DE ELECTRÓNICA 1 LABORATORIO LABORATORIO DE COMPONENTES Y CIRCUITOS ESTÁTICOS Rectificación monofáica !e conm"tación nat"#a$ in fi$t#o Rectificación monofáica !e conm"tación nat"#a$ con fi$t#o
Objetivo de la practica 6, 6,a: 1.1 determinar analizar y calcular, los parámetros de tensión y corriente en los componentes de los rectificadores monofásicos de conmutación natural. 1.2 determinar analizar y calcular, los parámetros de tensión y corriente en los componentes de los rectificadores monofásicos de conmutación normal con filtro capacitivo. 1.3 omprobar e!perimentalmente el comportamiento de los rectificadores de media onda, de onda completa con transformador en toma media y de onda completa con circuito puente. 1." Obtener las formas de onda temporales de tensión, de los diferentes puntos de los circuitos rectificadores. 1.# omprobar los valores teóricos de los diferentes circuitos, con los obtenidos e!perimentalmente: ane!ando una tabla comparativa de los mismos.
$ntroducción:
Transformador Se denomina transformador a una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de ierro dulce o ierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. !ambién e"isten transformadores con más devanados# en este caso, puede e"istir un devanado $terciario$, de menor tensión que el secundario.
Funcionamiento Si se aplica una fuer%a electromotri% alterna en el devanado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. &ste campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuer%a electromotri% en los e"tremos del devanado secundario. La relación entre la fuer%a electromotri% inductora '&p(, la aplicada al devanado primario y la fuer%a electromotri% inducida '&s(, la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario ')p( secundario ')s(. La ra%ón de transformación 'n( del voltaje entre el bobinado primario y el secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario abrá el triple de tensión. &sta particularidad se utili%a en la red de transporte de energ*a eléctrica+ al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto oule y se minimi%a el costo de los conductores. -s*, si el número de espiras 'vueltas( del secundario es // veces mayor que el del primario, al aplicar una tensión alterna de 01/ voltios en el primario, se obtienen 01./// voltios en el secundario 'una relación //
veces superior, como lo es la relación de espiras(. - la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación. -ora bien, como la potencia aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario, el producto de la fuer%a electromotri% por la intensidad 'potencia( debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de / amperios, la del secundario será de solo /, amperios 'una centésima parte(.
EL DIODO ZENER
&l diodo recti2cador y los diodos para señales pequeñas nunca se emplean intencionalmente en la región de rompimiento, ya que esto podr*a dañarlos. 3n diodo 4ener es diferente, se trata de un diodo de silicio que se a diseñado para operar en la región de rompimiento. &n otras palabras, a diferencia de los diodos ordinarios que nunca trabajan en la región de rompimiento, los diodos 4ener funcionan mejor en la región de rompimiento. Llamado a veces diodo de rompimiento, el diodo 4ener es la esencia de los reguladores de voltaje, los cuales son circuitos que mantienen el voltaje casi constante sin importar que se presenten grandes variaciones en el voltaje de l*nea y la resistencia de carga.
La 5ig. - muestra el s*mbolo de un diodo 4ener. 6ariando el nivel de impuri2cación de los diodos de silicio, el fabricante puede producir
diodos 4ener con voltaje de rompimiento que van desde 0 asta 0// 6. &stos diodos pueden operar en cualquiera de las tres regiones+ directa, de fuga y rompimiento. La 5ig. 7 muestra la grá2ca 896 de un diodo 4ener. &n la región directa, comien%a a conducir apro"imadamente a los /.: 6 igual que un diodo ordinario de silicio. &n la región de fuga 'entre cero y el rompimiento( e"ibe solamente una pequeña corriente inversa. &n un diodo 4ener el rompimiento tiene una rodilla muy pronunciada, seguida de un aumento casi vertical de la corriente. )ótese bien que el voltaje es casi constante, apro"imadamente igual a 64 para un valor particular de la corriente de prueba 84!.
Recticador de Media Onda &s el más sencillo de todos los recti2cadores y también el más barato pero, como nadie es perfecto, el recti2cador de media onda tampoco lo es y tiene numerosas desventajas que luego enumeraremos. &s uno de los menos usados cuando se requiere e2cacia y buen rendimiento, pero el más utili%ado si lo que se requiere es un bajo costo.
&ste circuito recti2cador está formado por un solo diodo. La tensión de entrada al circuito es tensión de corriente alterna y, como sabemos, esta tensión viene representada por una sinusoide con dos ciclos uno positivo y otro negativo. ;urante el ciclo positivo el ánodo del diodo es más positivo que el cátodo y la corriente puede circular a través del diodo.
=omo emos visto, la tensión de salida de un circuito recti2cador de media onda se compone de un ciclo con un valor positivo igual al de la tensión de entrada 'en el caso más normal( y un ciclo con un valor nulo. &sto es la causa de que este tipo de recti2cadores casi no se usen, ya que durante un tiempo no >uye corriente alguna en la salida. &l voltaje que se produce no es muy útil para acer funcionar nuestros aparatos, de a* la necesidad de 2ltrarlo primero, no siendo muy fácil este 2ltrado.
Recticador de Onda Completa con transformador de toma intermedia &s el recti2cador más usado. La gran diferencia con el recti2cador de onda media es que, en este caso, obtenemos a la salida tensión en todo in stante y no tenemos intervalos de tiempo con una tensión nula como ocurr*a con el otro recti2cador. &s un poco más caro ya que está constituido por un número mayor de componentes pero merece la pena dada su mayor e2cacia.
&stos recti2cadores están constituidos principalmente por dos diodos y un transformador con toma intermedia.
Recticador de Onda Completa en puente de raet! =on este tipo de recti2cadores vamos a conseguir una tensión de salida de corriente continua en todo instante, al igual que en el recti2cador de onda completa. La ventaja de los recti2cadores tipo puente es que la tensión de salida es de la misma magnitud que la de entrada, no perdemos la mitad como
ocurr*a en los anteriores. La desventaja es que aqu* necesitamos cuatro diodos, por lo que el costo de este tipo de circuitos es superior a los vistos anteriormente.
&l recti2cador puente está formado por cuatro diodos que forman un puente entre la entrada y la salida. &stos diodos están conectados en paralelo con el transformador, y no tienen ninguna toma central como ocurr*a en los de onda completa, según podemos ver en la 2gura anterior. Si el ciclo de tensión de la corriente alterna es el positivo circula corriente por los diodos y 0, obteniendo en la salida una tensión igual que la de entrada. Si el ciclo de entrada es negativo circula corriente por los diodos 1 y ?, y obtenemos a la salida una tensión igual en amplitud que la de entrada pero positiva en ve% de negativa.
FILTRADO" Los condensadores como depósito de energ*a. -ntes de pasar a ver cómo funciona un 2ltro debemos acer un alto en el camino y comentar brevemente qué son y cómo funcionan los dispositivos básicos de cualquier equipo electrónico, los condensadores.
#n condensador almacena ener$%a el&ctrica' adem(s de circular a tra)&s de &l* Al$o as% ocurre en un tan+ue de a$ua con)encional* 3n condensador se puede concebir como un almacén 'depósito( de energ*a donde al ser aplicada corriente entre sus terminales éste la va reteniendo asta llegar a un tope que vendrá determinado por el tipo de condensador que sea. 3na ve% alcan%ado dico tope, se pueden dar dos casos+ &l primero ser*a que la corriente siguiese circulando, el segundo que dejase de circular. &n el primero de los casos el condensador ya no afectar*a al paso de la corriente pues al estar cargado no necesita más energ*a, aora bien, si la corriente cesara ser*a entonces el momento en que el condensador comen%ase a $soltar$ su energ*a, siempre y cuando tuviese a quien $ soltarla$, es decir, siempre y cuando estuviese conectado a $algo$. &n caso de n o tener a quien $soltar$ esta energ*a almacenada, esperar*a pacientemente a que fuese conectado para cederla. Supongo que todos emos sido avisados del peligro de $destripar$ aparatos viejos como televisores o equipos musicales, incluso estando desencufados, pues bien, la ra%ón de este consejo paternal se debe precisamente a que estos aparatos poseen condensadores muy grandes, capaces de almacenar la su2ciente energ*a como para propiciar una descarga eléctrica nada recomendable.
Filtro de la tensi,n recticada Aa emos visto cómo la tensión que entrega un recti2cador no es del todo útil debido a su constante variación a lo largo del tiempo. -demás, sus oscilaciones van desde un valor tope, o má"imo, asta $cero$ y este es otro inconveniente ya que en el momento en que la tensión es cero, no se entrega energ*a alguna.
=omo vemos en la ilustración correspondiente, emos añadido un condensador en paralelo. &n esta situación, si no se conectase nada entre los puntos - y 7 'llamados carga( el condensador comen%ar*a a cargarse asta llegar a su tope. &s entonces cuando nuestro 2ltro ofrece una tensión constante. & sta situación ser*a su2ciente siempre y cuando no se entregase corriente a la carga, es decir, no se conectase algo.
tomar de dos partes# por un lado toma energ*a de la propia fuente y por otro de la que tiene almacenada el condensador. &sto no tendr*a gran importancia si no fuera por el eco de que el condensador al descargarse va perdiendo diferencia de potencial entre sus bornes, por tanto, vuelve a bajar la tensión. Sin embargo, como la fuente está constantemente suministrando energ*a eléctrica, el condensador vuelve a cargarse y la tensión por tanto vuelve a subir. &s una oscilación de tensión que dependerá de qué cantidad de energ*a requiera el dispositivo conectado. )o obstante, estas oscilaciones son bastante menores que las obtenidas directamente del recti2cador, as* pues, su utili%ación está justi2cada. &l funcionamiento de un 2ltro formado por un condensador está basado en que dico condensador puede almacenar energ*a. Eay otro tipo de dispositivos capaces de almacenar la energ*a, son los inductores.
A-LICACIÓNE." S*, a veces no basta con recti2car una tensión alterna. &l tratamiento de los diodos recti2cadores se ve apoyado por otros diodos que, convenientemente con2gurados, pueden limitar y recortar tensiones. -demás de esto vamos a ver cómo 2ltrar una señal con objeto de que se asimile lo más posible a una =orriente =ontinua.
La tensión alterna, o las señales alternas cualquiera que sea su tipo, se utili%an en electrónica tal cual o se tratan para adaptarse lo más posible al tipo y magnitud de la señal requerida.
Filtros 7ajo este escueto nombre se engloban un buen número de circuitos que tienden a adecuar una tensión alterna para, por ejemplo, utili%arla como alimentación continua de cualquier circuito. Los 2ltros de alimentación son sólo
una de las aplicaciones de estos pero, debido a su u tilidad y simplicidad, vamos a comen%ar con ellos. Los 2ltros se basan en la propiedad de almacenamiento de energ*a que ofrecen los componentes reactivos, esto es, los condensadores y las bobinas. Los tipos más sencillos y utili%ados son los siguientes+
Filtro con condensador" &ste tipo de 2ltros tan solo precisa de la colocación de un condensador de gran capacidad entre el diodo 'o diodos( encargado de recti2car la =orriente -lterna y la salida de la misma acia la carga 'o circuito( a alimentar 'F c(. &n la ilustración correspondiente nos podemos acer cargo de cómo se conecta este condensador.
;ebido a las constantes de tiempo asociadas a las resistencias a través de las que se reali%an las secuencias sucesivas de carga y descarga del condensador se obtiene una salida de forma bastante más $plana$ que la señal que obtenemos en la salida de una etapa recti2cadora.
Factor de ri!ado La calidad de la señal, o tensión, continua que obtenemos después de acer pasar una señal alterna por un circuito de 2ltro dependerá de la complejidad de éste.
denominamos la medida de una tensión sinusoidal cuando nos referimos a la má"ima distancia entre el pico superior y el inferior de la misma( llamamos 6 -=, el valor del factor de ri%ado '5 r( será+
Material / e+uipo necesarios 1 pz osciloscopio de doble trazo 1 pz mult%metro analó&ico y'di&ital 1pz transformador 12('1)*1)v +preferente toma central. ) pz diodo 1- "(( +silicio o e/uivalente.
1 pz resistencia 10 * 1( 1 pz capacitor 1(4 5 63v. 1 pz capacitor 1(((f 5 63v. 1 pz e!tension con fusible de #((7a +para ener&izar el circuito rectificador.
58L!F-;@ ;& S-L8;- F&=!858=-;Se instaló el siguiente circuito+
Se midió el voltaje sobre la carga tanto en ;= como en -= y con los valores se i%o la siguiente tabla+ Se calibró el @sciloscopio con+ .G6 999999 H/ mm para =; 6<< 999999 0/ mm para -= = I ?:/ u5
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CONCLUSIONES DEL EQUIPO
Existen diferentes tipos de rectificadores, dependiendo de las conexiones de los diodos y del transformador de entrada. Se definieron los parámetros de rendimiento de los rectificadores, y se ha demostrado que esos rendimientos varían en los distintos tipos. Los rectificadores generan armónicos en la carga y en la línea de alimentación, las cuales se pueden reducir mediante filtros. Tami!n, los rodamientos de los rectificadores están influidos por las inductancias de la fuente y de la carga.