UNIVERSIDAD FERMÍN TORO
VICERECTORADO ACADÉMICO
DECANATO DE INGENIERIA
ESCUELA DE ELÉCTRICA
SEDE CABUDARE
Shearly Achji
Ricardo Ros
Lab. Electrónica I
Saia “A”
ACTIVIDADES DE PRE – LABORATORIO
RESOLUCIÓN
1) DEFINA RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA Y ONDA COMPLETA.
REALICE LOS DISEÑOS RESPECTIVOS.
RECTIFICADORES DE MEDIA ONDA:
En la figura 1 se representa esquemáticamente un rectificador de media onda en
el cual un diodo se interpone entre la fuente y la carga. Cuando la tensión vS de la
fuente es positiva, el sentido de la corriente es favorable y se produce la circulación, por
lo cual suponiendo el diodo ideal (y por lo tanto sin caída de tensión), será vL = vS.
Cuando, en cambio, vS < 0, el diodo no conduce y entonces vL = 0. Esto se ilustra en la
figura 2 para una típica señal senoidal. Se ha indicado tanto la tensión en la carga como
la corriente que circula por ella y por la fuente (la tensión y las corrientes en este caso
difieren únicamente en un factor de escala). Invirtiendo el diodo se logra una tensión
negativa.
Es interesante destacar que la tensión en la carga es unidireccional (positiva)
pero no continua (constante). Esta forma de onda no es la deseable para alimentar
dispositivos electrónicos, que generalmente requieren una alimentación constante. Este
problema se solucionará más adelante con el empleo de filtros.
RECTIFICADORES DE ONDA COMPLETA TIPO PUENTE:
El circuito rectificador de media onda tiene como ventaja su sencillez, pero
adolece de dos defectos:
I. No permite utilizar toda la energía disponible, ya que los semiciclos negativos
son desaprovechados.
II. En el caso típico en el que la fuente es el secundario de un transformador tiende
a producirse una magnetización del núcleo debido a que el campo magnético es
unidireccional. Esta magnetización se traduce en que la saturación magnética se
alcanza con valores menores de corriente, produciéndose deformaciones en la
onda. Estos inconvenientes se resuelven con los rectificadores de onda
completa. El primer ejemplo es el rectificador tipo puente, ilustrado en la figura
3.
Cuando vS > 0, los diodos D1 y D2 están polarizados en forma directa y por lo
tanto conducen, en tanto que D3 y D4 no conducen. Despreciando las caídas en los
diodos por ser éstos ideales, resulta vL = vS > 0. Cuando la fase de la entrada se
invierte, pasando a ser vS < 0, serán D3 y D4 quienes estarán en condiciones de
conducir, en tanto que D1 y D2 se cortarán. El resultado es que la fuente se encuentra
ahora aplicada a la carga en forma opuesta, de manera que vL = −vS > 0. Las formas de
onda de la entrada y la salida se muestran en la figura 4.
Puede verificarse que ahora se aprovecha la totalidad de la onda de entrada, y,
además, la corriente por la fuente ya no es unidireccional como la que circula por la
carga, evitando la magnetización del núcleo del transformador.
RECTIFICADORES DE ONDA COMPLETA CON PUNTO MEDIO:
Un inconveniente de los rectificadores tipo puente es que no existe una
referencia común de tensión (masa circuital) entre la fuente y la carga, resultando ambas
flotantes entre sí. Una manera de resolver esto es utilizar dos fuentes en contrafase en
lugar de una sola, y colocar en cada una de ellas un rectificador de media onda. Las
fuentes en contrafase se logran con un transformador cuyo secundario está dividido en
dos mitades, tomándose el punto medio como masa común, como se muestra en la
figura 5.
Cuando vS > 0, el diodo D1 conduce y D2 no, por lo tanto la tensión vS se aplica
directamente a la carga a través de D1 y vL = vS > 0. Cuando vS < 0, conduce D2, por lo
cual se aplica −vS a la carga, resultando vL = −vS > 0.
En este caso, por cada mitad del arrollamiento secundario circula corriente sólo
en una mitad del ciclo, pero lo hace en sentidos opuestos, y como ambos arrollamientos
rodean a un mismo núcleo y son simétricos, el núcleo recibe un campo magnético
alternativo que no produce magnetización neta permanente.
El punto medio del secundario puede utilizarse como masa circuital común entre
el secundario y la carga.
RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA CON FILTRO CAPACITIVO:
En la figura 6 se ilustra el circuito de un rectificador de media onda con filtro
capacitivo.
El capacitor y la resistencia configuran un filtro pasabajos. Sin embargo, debe
tenerse en cuenta que debido a la no linealidad del circuito que lo precede, el filtro no se
limita a mantener el valor de continua (valor medio) de la onda rectificada y rechazar
los armónicos.
Con referencia a la figura 7, supongamos que inicialmente el capacitor está
descargado. Mientras vS crece hacia valores positivos, el diodo se polarizará en forma
directa y por lo tanto conducirá. Dado que la resistencia de la fuente y la resistencia
dinámica del diodo se han considerado idealmente nulas, la tensión de salida (igual a la
caída en el paralelo RL//C) seguirá a la de la entrada. Este proceso continuará hasta el
momento t1 en que la tensión de entrada disminuya más rápidamente que la descarga de
C a través de RL, ya que en ese caso el diodo pasará a estar polarizado inversamente y
dejará de conducir. A partir de ese momento la tensión de salida se desvincula de la de
la entrada, siguiendo la evolución exponencial de la descarga del capacitor a través de la
resistencia de carga. Mientras tanto, la entrada continuará con su variación senoidal, se
hará negativa y luego volverá a ser positiva. En un instante t2 la caída exponencial de la
salida se cruzará con el ascenso senoidal de la entrada, y a partir de entonces el diodo
volverá a conducir, repitiéndose el proceso anterior. Obsérvese que el diodo conduce
sólo durante una fracción del período, por lo cual tanto su corriente de pico Ip como su
corriente eficaz Irms pueden llegar a ser varias veces superiores a la corriente media,
Imed. lo cual en general implica sobredimensionar los diodos.
Puede sorprender el hecho de que la corriente eficaz por el diodo sea mayor que
la corriente eficaz por la carga (que para un rectificador con bajo ripple es
aproximadamente igual a la corriente media). Esto se debe a que la fuente no está
cargada siempre con la misma resistencia, a diferencia del rectificador completo
incluido el capacitor, que está cargado con RL. Por eso, a pesar de que la fuente entrega
a través del diodo la misma potencia media que termina recibiendo la resistencia de
carga, su corriente eficaz es mayor.
En el análisis del funcionamiento de este rectificador con filtro no nos detuvimos
en la influencia de la constante de tiempo τ = RLC, cuestión que trataremos ahora.
Evidentemente, cuanto mayor sea τ, más lenta será la caída durante el intervalo de corte
del diodo, lo cual significa que el valor alcanzado en el instante t2 será más alto,
aproximándose, para τ >> T, al valor de pico Vp. Esta situación se ilustra en la figura 8.
Lo anterior tiene varias consecuencias. En primer lugar, el ripple disminuye y la
tensión media en la carga se aproxima a la tensión de pico. En segundo lugar, tanto t1
como t2 se aproximan a los instantes donde hay picos, lo cual reduce el tiempo de
conducción del diodo e incrementa su corriente eficaz y su corriente de pico, lo cual
exige cuidado en el dimensionamiento del diodo para evitar su destrucción térmica. Por
último, permite aproximar la caída por un segmento de recta, lo cual facilita el
tratamiento analítico simplificado.
RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON FILTRO CAPACITIVO:
En la figura 10 se ilustra el circuito de un rectificador de onda completa con
filtro capacitivo.
El funcionamiento de este circuito, ilustrado en la figura 11, es enteramente
similar al de media onda, con la única diferencia de que la caída exponencial (o su
aproximación lineal) se encuentra con el pico negativo rectificado, en lugar de con el
siguiente pico positivo.
Todas las conclusiones correspondientes al rectificador de media onda con filtro
son cualitativamente aplicables a este caso, cambiando sólo las fórmulas. Puede
observarse por simple inspección que para una misma constante de tiempo (compárese
con la figura 7) el ripple disminuye y el valor medio aumenta. En este caso el valor de t1
responde a la misma fórmula.
2) MENCIONE LAS CARACTERÍSTICAS DE UN DIODO ZÉNER.
El diodo Zéner es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado
inversamente. Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde
se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa),
conducen siempre en el sentido de la flecha.
En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si
el diodo Zéner se polariza en sentido directo se comporta como un
diodo rectificador común. Cuando el diodo Zéner funciona polarizado inversamente
mantiene entre sus terminales un voltaje constante.
En el gráfico se ve el símbolo de diodo Zéner (A - ánodo, K - cátodo) y el
sentido de la corriente para que funcione en la zona operativa.
Se analizará el diodo Zéner, no como un elemento ideal, si no como un elemento
real y se debe tomar en cuenta que cuando éste se polariza en modo inverso
si existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de
muy poco valor.
3) DIBUJE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE UN DIODO ZÉNER.
Analizando la curva del diodo Zéner se ve que conforme se va aumentando
negativamente el voltaje aplicado al diodo, la corriente que pasa por el aumenta muy
poco.
Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensión
de Zéner (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño,
pudiendo considerarse constante.
Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo Zéner, puede variar en un
gran rango de valores. A esta región se le llama la zona operativa. Esta es la
característica del diodo Zéner que se aprovecha para que funcione como regulador de
voltaje, pues el voltaje se mantiene prácticamente constante para una gran variación
de corriente.
4) EXPLIQUE EL FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO DE LA FIGURA
1.
Aquí el diodo está polarizado en inverso. Con este circuito obtendremos datos
para graficar la curva en el tercer cuadrante. Debemos calcular el valor del resistor R.
Este resistor determina la máxima corriente que soporta el Zéner sin dañarse por exceso
de consumo de potencia. Entonces la máxima corriente viene dada por:
Izmax = Pzener / Vz
Para no quemar el Zéner vamos a trabajarlo, por ejemplo, al 70% de su potencia
máxima. Entonces calculamos la nueva Iz. Por ley de voltajes, despejamos el valor de R
del circuito dado en función de las tensiones y en función de la corriente que absorbe el
Zéner.
Usando el simulador Proteus se obtuvieron las siguientes tablas:
Vcc 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Iz
(mA)
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,3mA 2,2mA
Vz
(Vol)
0 500mV 1V 1,5V 2V 2,5V 3V 3,5V 4V 4,5V 4,98V
5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10
6,13
mA
13
mA
20
mA
27
mA
34,1
mA
41,2
mA
48,2
mA
50,3
mA
62,4
mA
69,5
mA
5,07V 5,09V 5,10V 5,11V 5,11V 5,12V 5,12V 5,13V 5,13V 5,13V
Ahora invertimos el diodo. Significa que está polarizado en directo, los datos a
leer estarán en el primer cuadrante. Utilizamos la misma R del montaje anterior, pero
ojo, Vcc no puede pasar de 5V porque es muy probable que se queme algún
componente por exceso de corriente.
Al averiguar que componente se quemaría, se lleno la siguiente tabla:
Vcc 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Iz (mA) 0 8,20
mA
4,81
mA
11,6
mA
18,6
mA
25,6
mA
32,7
mA
34,7
mA
46,8
mA
53,9
mA
61mA
Vz(Vol) 0 -499
mV
-663
mV
-687
mV
-698
mV
-707
mV
-712
mV
-718
mV
-723
mV
-726
mV
-729
mV
En 13V se quemó la resistencia.
En la primera tabla podemos observar como el voltaje después de superar el
valor del diodo se fue manteniendo mientras que la corriente se iba incrementando
infinitamente, mientras Vz se mantiene constante.
Y ahora, en la segunda tabla vemos como se quemó la resistencia debido a que
la corriente fue creciendo exponencialmente y también su potencia, haciendo que se
quemara la resistencia. Esto sucedió, debido a que la tensión se hizo lo suficientemente
grande por lo que alcanza un punto en que la corriente crece muy rápidamente con un
pequeño aumento de tensión.
5) DEFINA REGULADOR ZÉNER E INDIQUE LAS ECUACIONES DE
DISEÑO DE REGULADORES.
Un regulador con diodo Zéner ideal mantiene un voltaje predeterminado fijo a su
salida, sin importar las variaciones de voltaje en la fuente de alimentación y/o las
variaciones de corriente en la carga.
NOTA: En las fuentes de voltaje ideales (algunas utilizan, entre otros elementos
el diodo Zéner), el voltaje de salida no varía conforme varía la carga. Pero las fuentes no
son ideales y lo normal es que el voltaje de salida disminuya conforme la carga va
aumentado, o sea conforme la demanda de corriente de la carga aumente
PASOS PARA EL DISEÑO DE UN REGULADOR ZÉNER
A) Se calcula la resistencia de entrada del regulador Ri.
Se puede utilizar una de 2 condiciones:
CONDICIÓN 1: Ri = (Vsmin – Vz ) / (Ilmax + Izmin).
CONDICIÓN 2: Ri = (Vsmax – Vz ) / (Ilmin + Izmax).
B) Se determina el valor de Izmax y Izmin.
Izmin = 0.1 * Izmax (es decir, el 10 % de Iz max).
Izmax (máxima corriente del zener).
Izmin (mínima corriente del zener).
C) Se diseña el regulador. (comparar con la información del Savant, diseño
electrónico). Rs = Ri
Para este diseño debe conocerse como dato de entrada Vsmax y Vsmin, es decir
el rango de voltaje que manejara el regulador. De igual manera la corriente de carga
máxima y mínima (IL).
La potencia del regulador es: PZ = VZ * IZMAX. Y la de la resistencia de
entrada Ri es PR = Izmax + Izmin * (Vsmax – Vz).
6) ¿A QUÉ DENOMINAMOS RMAX Y RMIN EN UN REGULADOR
ZENER?
Rmax = Es el valor máximo de la resistencia limitadora.
Rmin = Es el valor mínimo de la resistencia limitadora.
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