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Laboratorio 2: Circuitos Limitadores de Voltaje y Rectificador de Media Onda Presentado a:

Doc. Ing. Fernando López Aramburu Grupo N° 6 Facultad De Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Anderson Rober Jiménez Solórzano 20170042K Miguel David Ravichagua Quintana 20144066C Marcos Miguel Paitan Sayas 20171345G García Mallma Deivy Jhonn 20112009D

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Laboratorio 2: Circuitos Limitadores de Voltaje y Rectificador de Media Onda Anderson Rober Jiménez Solórzano 20170042K Miguel David Ravichagua Quintana 20144066C Marcos Miguel Paitan Sayas 20171345G García Mallma Deivy Jhonn 20112009D

Abstract— Este documento é o relatório final para os circuitos limitadores e tensão de retificador de meia – onda de experiencia, em que foi possível ver que uma onda pode ter um valor máximo, se colocarmos um limitador, para que ele pudesse ver a rectificação de um graças onda senoidal produzida o diodo retificador. Os dados obtidos são apresentados e responda as perguntas do questionário.

I.

 R  R2  vi   vCC  vd   1  R2    Para el diodo está polarizado en inversa, por lo tanto, no conduce(off).

 R  R2  vi   vCC  vd   1  R2    Para el diodo está en zona activa y conduce(on).

FUNDAMENTO TEORICO

Limitadores de voltaje: Los circuitos recortadores o limitadores de voltaje tienen, como su nombre lo indica, la función de impedir que un voltaje no sobrepase de cierto valor preestablecido, o en su defecto, que a partir de cierto voltaje se permita alimentar a alguna carga. Existen dos categorías generales de recortadores: en serie y en paralelo. La configuración en serie es aquella donde el diodo está en serie con la carga, en tanto que la configuración en paralelo tiene el diodo en una rama paralela a la carga.

Su función de transferencia ( diodo) será:

vd es el voltaje de activación del

La grafica del voltaje de salida entrada

vi (t )  A sin wt es:

vo cuando el voltaje de

Calculamos su valor DC:

  arcsin(vd  vCC AO ); AO =

R2 A R1  R2

 AO sin wt ; 0  wt     -  wt  2 vo (t )   vd  vCC ;   wt   - T

VDC  VDC  VDC 

1 1 vo (t ) dt  T 0 2

2

 v (t )d (wt ) o

0

 2    1    AO sin wtdwt   AO sin wtdwt    vd  vCC  dwt )  2  0    

 vd  vCC     2   2 AO cos  2

3 Calculamos su valor RMS: T

VRMS  VRMS 2 = VRMS 

1 1 2  vo (t ) dt   T0 2

esta en zona activa y conduce(on). La grafica del voltaje de 2

  v (t ) o

salida 2

vo cuando el voltaje de entrada vi es senoidal es:

dwt

0

   2  1 2 2 2 A sin wt dwt  v  v dwt       AO sin wt  dwt   O d CC   2  0    

1  2  sin     2 AO        vd  vCC     2    2   2 2 

Rectificador de media onda: El rectificador de media onda es un circuito muy simple compuesto de una fuente de corriente alterna y un diodo en serie con la carga, la naturaleza del voltaje de entrada da lugar a que el circuito tenga las siguientes etapas de trabajo:

Calculamos el voltaje de salida como corriente continua (DC):

  arcsin(vd A) 0; 0  wt     -  wt  2 vo (t )    A sin wt  vd ;   wt   - T

VDC  Su función de transferencia será:

VDC 

1 1 vo (t ) dt   T 0 2 1 2

2

v

o

(t )dwt

0

 

  A sin wt  v  dwt d



2 A cos   vd    2  2 si vd  0    0

VDC 

VDC 

A  0.318 A 

Calculamos ahora el voltaje RMS en la salida:

VRMS  VRMS 

1 T

T

  vo (t ) 0

1 2

vi  vd el diodo está polarizado en v  vd el diodo inversa, por lo tanto, no conduce(off). Para i

dt 

1 2

 

  A sin wt  v  d

2

  v (t ) o

2

d ( wt )

0

2

d ( wt )

  A2  A2 1   vd 2   sin 2  4 Avd cos      2   2   2  2  Si vd  0    0 reemplazamos:

VRMS  Para voltaje de entrada

2

VRMS 

A  0.5 A 2

4

7.

II.

MATERIAL Y EQUIPO:

8.

V0

Diodo 1N4004 Resistor de 10KΩ, 0.5W Resistor de 10KΩ, 0.5W puntas de prueba Fuente de Alimentación Programable Osciloscopio TEKTRONICS-COLOR Generador de funciones TEKTRONICS protoboard

III.

). Con el multímetro, mida la tensión DC en el diodo D1. 10. Con el osciloscopio mida la forma de onda en la 9.

V

salida ( 0 ). Anote el voltaje pico, el período y semiperíodo. 11. Con el osciloscopio, usando los 2 canales, mida la

V

forma de onda en el diodo ( d ). 12. Invierta el diodo y repita las mediciones de los pasos 8 al 11.

PROCEDIMIENTO: 1.

Conecte el generador de funciones y aplique una tensión sinusoidal con amplitud de 2.5 Voltios y frecuencia de 60 Hz. Con el multímetro, mida la tensión DC en la salida (

Ensamble el siguiente circuito, Limitador de Voltaje:

IV.

CUSTIONARIO

Pregunta N° 1: Haga una tabla comparando los valores teóricos con los valores experimentales.

Ajuste la fuente DC variable a 5.5 Vdc. 2. 3.

Aplique la tensión AC sinusoidal de entrada V1 con voltaje eficaz 220 V y frecuencia de 60 Hz. Con el multímetro, mida la tensión DC en la salida (

V0

4.

). Con el osciloscopio, mida la forma de onda de

5.

V0 . tensión en la salida Con el osciloscopio, usando los 2 canales, mida la

6.

Ensamble el siguiente circuito Rectificador de media

R forma de onda de tensión en la resistencia 1 . λ

onda (

2 ):

Limitadores de voltaje Entrada (ACVef) R1 (AC-Vef) R1 (DC) R2(DC) R2 (AC-Vef)

VALOR TEÓRICO 15

VALOR EXPERIMENTAL 14.9

6.84 3.879 -3.879 11.684

6.65 3.889 -3.882 11.4

Rectificador de media onda Entrada (ACVef) Diodo D1 (DC) Diodo D1(AC-ef) R1(DC) R1 (AC-Vef)

VALOR TEÓRICO 15

VALOR EXPERIMENTAL 14.9

-6.406 10.67 6.406 9.9

-6.432 10.8 6.435 10.16

Pregunta N° 2: ¿Por qué en el paso 3, la tensión DC es negativa?

5 Observamos que, en un periodo, el semiperiodo negativo tiene mayor área que el semiperiodo positivo truncado, siendo el primero lo que definirá el valor negativo del voltaje DC.

Observamos que el valor DC de salida en R1 es negativo y su voltaje pico se hace negativo, el valor DC del diodo D1 se vuelve positivo y su voltaje pico se hace positivo.

Pregunta N° 3:¿Por qué la onda de tensión medida con el osciloscopio en

θ=arcsin



(

R1

tiene esa forma?

)

Cuando el diodo no conduce,

v R 1 ( t )=

Pregunta N° 6: ¿Qué error hay entre los valores teóricos con los experimentales?

6.2 =0.2996 1500 √ 2 101 vi  6.262 , vR1 es:

15 √ 2 sinwt ; 0 ≤ wt ≤θ ∨ π −θ ≤ wt ≤ 2 π 101

v  6.262 , vR1 es:  Cuando el diodo conduce, i v R 1 ( t )=15 √ 2 sinwt−6.2; θ ≤ wt ≤ π −θ

E=

Valor teórico−Valor experimental Valor teórico

Para

E=

v R 2 (Limitadores de voltaje):

11.684−11.4 .100 %=2.43 % 11.684

Para

Al combinar ambas graficas obtenemos lo mostrado en la gráfica anterior.

E=

Pregunta N° 4: ¿Por qué en el paso 9, la tensión medida con el multímetro es negativa?

Para

v R 1 (Limitadores de voltaje):

6.84−6.65 .100 %=2.77 % 6.84 v R 1 (Rectificador de media onda):

|9.9−10.16 |.100 %=2.62 % 9.9

E=

Para

v D 1 (Rectificador de media onda):

.100 %=1.22% |10.67−10.8 10.67 |

E=

Los errores se deben a la no exactitud de las resistencias, así como que para el valor teórico se asumió diodos ideales. Al calcular el voltaje DC del diodo observamos que, en un periodo, el semiperiodo negativo tiene mayor área que el semiperiodo positivo truncado. Pregunta N° 5: ¿Qué sucede en el paso 12 cuando se invierte el diodo

D2

?

Pregunta N° 7: Haga los gráficos de las formas de onda en los circuitos. Se utilizará el simulador MICROCAP 12 (64 bits) y el NI Multisim.

6 La señal de entrada en lado secundario del transformador reductor será:

vi ( t )=15 √ 2sin( 120 πt)

Limitadores de voltaje

Grafica voltaje sobre R1:

Grafica voltaje sobre R2:

Con diodo invertido

Grafica voltaje sobre R1:

Rectificador de media onda

7

Pregunta N° 8 Indique sus observaciones y conclusiones.   

 



El voltaje de entrada tomamos un valor de 15 voltsrms mediante un transformador reductor desde un valor 220 volts-rms de la red. Vemos la señal del voltaje de salida, la onda se recorta en la parte superior de la onda debido al efecto del diodo en el circuito de limitador de voltaje. En el rectificador de media onda el voltaje o señal de salida solo aparece la parte positiva no dejando pasar la parte negativa de la onda sinusoidal. Verificándose en este caso con la gráfica estudiada en la teoría. Esta señal también tendrá la misma forma para la corriente de carga o de salida. En el caso de rectificador de media onda, invirtiendo el sentido del diodo la gráfica toma la parte negativa, no dejando pasar la parte positiva. Se debe tener en cuenta al momento de armar el circuito los valores con que marcan o arrojan los instrumentos de medida, pues nos ajustaríamos o corregiríamos las medidas de los instrumentos como es el caso del generador de funciones de onda. Es muy importante revisar el circuito armado en el protobart o placa de conexión pues al momento de hacer las mediciones con el osciloscopio en la salida o en la carga la señal debe estar de acorde con la teoría. Pues al haber una conexión errada la gráfica también es errada.

https://es.slideshare.net/armandorob/electronicarectificadores http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema 4/Paginas/Pagina18.htm https://sites.google.com/site/teoriadecircuitosainzunza/ho me/4---circuito-electrico/elementos-de-control/4-3-2--circuitos-con-diodos https://profesormolina1.webcindario.com/tutoriales/tutor1 _fuentes.htm

8

Presentado a:

Doc. Ing. Fernando López Aramburu Grupo N° 6 Facultad De Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Laboratorio 3: Circuitos Rectificadores de Onda Completa con Toma Central Anderson Rober Jiménez Solórzano 20170042K Miguel David Ravichagua Quintana 20144066C Marcos Miguel Paitan Sayas 20171345G García Mallma Deivy Jhonn 20112009D Abstract—Esse relatório mostra o funcionamento da onda completa circuito retificador monofásico com derivação central,

Laboratorio 3: Circuitos Rectificadores de Onda Completa con Toma Central Anderson Rober Jiménez Solórzano 20170042K Miguel David Ravichagua Quintana 20144066C Marcos Miguel Paitan Sayas 20171345G García Mallma Deivy Jhonn 20112009D

9 através de simulações e gráficos, que nos permitem apreciar o comportamientode tal circuito.

I. INTRODUCCIÓN En el presente informe se muestra y trata de explicar el funcionamiento de los rectificadores de onda completa y nos centraremos exclusivamente en los rectificadores de onda que utilizan un transformador de voltaje y dos diodos para tener una onda rectificada completamente.

resistencia de carga R. El efecto neto es la misma salida que aparece ambos rectificadores de onda la cual veremos y calcularemos a partir de la Figura 3.

II.OBJETIVO Estudio de las características de funcionamiento del circuito rectificador monofásico de onda completa con toma central. III.FUNDAMENTO TEÓRICO Aquí veremos el rectificador de onda completa más común junto con el puente de diodos, éste es muy conocido por utilizar solo dos diodos para este propósito, sin embargo, requiere de un transformador de derivación central (CT, por sus siglas en inglés) para establecer la señal de entrada a través de cada sección del secundario del transformador. Durante la parte positiva de vi aplicada al primario del transformador, la red aparecerá como se muestra en la Figura 2. El diodo D1 asume el equivalente de cortocircuito y el D2 el equivalente de circuito abierto, como lo determinan los voltajes secundarios y las direcciones de la corriente resultantes. El voltaje de salida aparece como se muestra en la Figura 2.

Figura 3. Formas de onda de entrada y salida para un rectificador de onda completa.

Como el área sobre el eje durante un ciclo completo ahora es el doble de la obtenida por un sistema de media onda, el nivel de cd también se duplica y

Figura 1. Rectificador de onda completa con toma central.

Figura 2. Condiciones de la red en la región positiva de vi

Durante la parte negativa de la entrada la red aparece como se muestra en la Figura 4, y los roles de los diodos se invierten pero mantienen la misma polaridad del voltaje a través de la

Vcd = 2(0.318Vm) Vcd = 0.636 Vm

10 Figura 4. Condiciones de la red en la región negativa de vi.

PIV La red de la Figura 5 nos ayudará a determinar el PIV neto para cada diodo de este rectificador de onda completa. Insertando el valor máximo del voltaje secundario y Vm como se establece en la malla adjunta el resultado es PIV = Vsecundario + VR = Vm + Vm PIV >= 2Vm Transformador con derivación central, rectificador de onda completa.

eficaz(teór ico) Voltaje promedio (DC) (teórico) Voltaje eficaz(sim ulado) Voltaje promedio (DC) (simulado)

10.804

-10.804

10.804

V

11.387

11.349

10.995

V

10.15

-10.149

9.898

V

Tabla de voltajes eficaces y voltajes promedios en el diodo de cada configuración Diodo Diodo Diodo Unidades del del del circuito circuito circuito 1 2 3

Figura 5. Determinación del nivel PIV para los diodos del rectificador de onda completa con transformador con derivación central.

IV.MATERIAL Y EQUIPO       

02 Diodos 1N4004 01 Resistor de 1.8Ω, 2W 01 Resistor de 2.2KΩ, 0.5W 01Osciloscopio TEKTRONICS-COLOR 01 Multímetro FLUKE 03 puntas de prueba 01 protoboard

Voltaje eficaz(teór ico) Voltaje promedio (DC) (teórico) Voltaje eficaz(sim ulado) Voltaje promedio (DC) (simulado)

16.97

16.97

12

V

-10.804

-10.804

-10.804

V

16.452

16.671

8.0055

V

-10.154

-10.182

-9.586

V

Pregunta Nº2 ¿Qué porcentaje de error hay entre los valores experimentales y los teóricos?

E=

V.CUESTIOANRIO

Valor teórico−Valor experimental ∗100 % Valor teórico

Pregunta Nª1 Haga una tabla comparando los valores teóricos con los valores simulados. Tabla de voltajes eficaces y voltajes promedios en la carga para cada configuración En la En la En la Unidad carga del carga del carga del es circuito 1 circuito 2 circuito 3 Voltaje

12

12

12

V

Tabla de porcentajes de error para las cargas y diodos de cada configuración Carga Carga Carga Diodo Diodo en el en el en el del del circuito circuito circuit circuito circuito 1 2 o3 1 2 % erro r Vef

5.1%

5.4%

8.3%

3%

1.176%

11 % erro r Vdc

6%

6.06%

8.3%

6.01%

5.75%

Como se aprecia en el grafico la tensión inversa que soporta el diodo es PIV =2Vm, por lo tanto, para que un diodo no se malogre debe y trabaja adecuadamente su tensión inversa (PIV) debe ser PIV > 2Vm.

Un porcentaje del error total se debe a que se consideró un diodo ideal al momento de hacer el cálculo de los voltajes eficaces y voltajes promedio (cd), el error también se debería a las aproximaciones que hace el software durante los cálculos de los valores por lo que solo nos entregaría valores aproximados. En un experimento real se tendría que ver el estado de los diodos, la fuente de alimentación si están en un correcto estado Pregunta Nº3

Fig. Voltaje inverso pico en el diodo

Dibuje la forma de onda de la carga.

Pregunta Nª5

Forma de onda en la carga para para los diodos apuntado hacia la derecha en el rectificador con un transformador con toma central.

¿Por qué al medir la tensión continua en el diodo, resulta negativa? La tensión continua en el diodo sale negativa ya que la forma de onda de la tensión en el diodo se muestra en el grafico de color negro, que tiene un valor pico del doble de la onda rectifica, si calculamos el valor promedio de esta onda del diodo se obtiene un valor promedio negativo. Como se espera para esta forma de la onda.

Fig. Forma de onda de la carga Forma de onda invirtiendo los diodos, en el rectificado de onda completa con transformador con toma central.

Fig. Forma de onda en el diodo(negro) y en la carga(celeste) Pregunta Nº6 ¿Qué sucede cuando se invierten los diodos? Fig. Forma de onda de la carga con diodos invertidos Pregunta Nª4 ¿Cuánto es la máxima tensión inversa que soportan los diodos? La tensión inversa máxima que soportan los diodos es 2 veces el valor de voltaje en el secundario de las divisiones del devanado.

Al invertir los diodos, en el rectificador de Onda Completa con transformador con toma central, la tensión en la carga se ve reflejada respecto al eje horizontal, teniendo el mismo valor promedio en magnitud, al igual que antes de invertir los diodos, pero con la diferencia de que este valor promedio es negativo.

12 XSC1

XSC1 Ext Tri g +

Ext Trig +

_ B

A +

_

+

_

_

B

A +

V1 220Vrms 60Hz 0°

T1

+

_

D1 1N4004

1Ω

T1

V1 220Vrms 60Hz 0°

R2

220:12:12

_

R1 2.2KΩ

D1 1N4004

D2

R2

1N4004

1Ω

R1 2.2KΩ

D2 220:12:12

Fig. Circuito rectificador de onda completa con los diodos invertidos

1N4004

Fig. Circuito rectificador de onda

Pregunta Nº8 ¿Qué relación hay entre la corriente promedio en un diodo y la corriente promedio en la carga? Como se tiene en la carga una rectificación onda completa y cada diodo solo conduce en un semiciclo se tendrá: Fig. Forma de onda de la carga En el grafico se muestra de color verde la tensión en el diodo.

I DC = Diodo

I DC 2

Donde:

I DC

Diodo

: corriente promedio en el diodo

I DC :corriente primedio en la carga Pregunta Nº9 ¿Por qué en este circuito no se debe invertir un solo diodo? Fig. Forma de onda del diodo Pregunta Nº7 ¿Para qué puede servir Rs? Nos puede servir para calcular la corriente que circula por la carga, teniendo el valor de tensión en sus bornes la dividimos entre esta resistencia de valor 1 ohmio que nos dará como resultado la corriente. Es conveniente que esta resistencia sea pequeña para que no afecte al circuito ni a la carga por ello en este laboratorio se asumió de un valor de 1 ohmio para simular. Pero en una experiencia se buscaría una resistencia que se acerque a este valor.

Porque, si solo invertimos un diodo, no cumpliría la función de rectificar la señal completa, además los ambos diodos conducirían en cada semiciclo de la onda, si se consideramos diodos ideales se produce un cortocircuito lo cual provocaría daños a los diodos y al circuito. Pregunta Nº10 ¿Por qué no es conveniente usar este circuito en alta corriente? Porque el conductor no soportaría tan alta corriente. Asimismo, el voltaje inverso de los diodos sería muy elevado, al punto de que cada diodo no ser capaz de soportar dicha tensión en inversa lo cual llevaría a dañar los componentes que componen un circuito. Pregunta Nº11

13 Potencia en la Carga, potencia en diodos, potencia en sistema.

Por lo tanto, la corriente en la carga esta esta adelantada 9.72 ° a la tensión.

De los datos obtenido durante la simulación procedemos a calcular la potencia en el circuito 1 (rectificación de onda completa). La corriente en la carga es de: 4.627 mA El voltaje en los terminales de carga: 10.176 V La corriente en el diodo: 2.313 mA El voltaje en los terminales del diodo: 10.181V La corriente que circula por la mitad del devanado del transformador: 2.843 mA El voltaje en la mitad del transformador: 11.973 V

En el gráfico se muestra la tensión rectificada en la carga de color rojo, y el gráfico de la corriente de color celeste, ajustando las escalas del simulador se puede apreciar que la corriente en la carga esta adelantada a la tensión como se esperaba.

PTransformador =Pcarga + Pdiodo Para la potencia total que el transformador entrega será el doble que entrega la mitad del transformador con toma central.

PTransformador =68.068 mW Pcarga + Pdiodo =70.63 mW Por lo tanto, hay un error de 3.7%, este error de que la potencia entregada es menor se debe a que el simulador entrega en la mitad de un transformador un voltaje menor al que en la teoría.

Fig. Corriente en la carga (indicado por el color celeste)

Pregunta Nº12

SIMULACIONES

Grafique la onda de voltaje si la carga es RL Cuando la carga R-L la corriente está atrasada a la tensión con un ángulo de desfasaje θ para el circuito mostrado este ángulo será el ángulo de la impedancia de la carga, ya que se la tensión se toma como referencia. Para este ejemplo tomamos una inductancia de 1H y una carga de 2.2k ohmio.

En los siguientes gráficos se muestra las simulaciones de los circuitos rectificadores de onda completa, los dos primero corresponden a circuitos con 2 diodos y el tercer circuito la rectificación se hace por un puente de diodos. XSC1 Ext Trig + _ B

A +

V1 220Vrms 60Hz 0°

T1

_

+

_

D1 1N4004

L1 1H

R2 1Ω

R1 2.2KΩ

V1 220Vrms 60Hz 0°

T1

D1 1N4004

D2

R2

1N4004

1Ω

220:12:12

R1 2.2KΩ

D2

Fig. Circuito rectificador de onda con carga inductiva

Z=R+ jWL Z=R+2 πfLj Z=2200+376.99 j Z=2232.07 ∠ 9.72°

220:12:12 1N4004

Fig. Circuito rectificador de onda completa En el grafico se muestra la salida de la rectificación de la onda de color celeste y de color negro el voltaje en el diodo.

14 XSC1 Ext Trig + _ B

A +

D1 1N4004 V1 220Vrms 60Hz 0°

+

_

D2 1N4004

T1

220:12

_

R1 2.2kΩ

D3 1N4004

D4 1N4004

Fig. Circuito rectificador con puente de diodos En el grafico se muestra la salida de la rectificación de la onda de color negro y de color celeste el voltaje en el diodo. Fig. Voltaje en la carga y en el diodo XSC1 Ext Trig + _ B

A +

V1 220Vrms 60Hz 0°

T1

_

+

_

D1 1N4004 R2 1Ω

R1 2.2KΩ

D2 220:12:12

1N4004

Fig. Circuito rectificador de onda completa con diodos invertidos En el grafico se muestra la salida de la rectificación de la onda de color celeste y de color verde el voltaje en el diodo.

Fig. Voltaje en la carga y en el diodo

Fig. Voltaje en la carga y en el diodo

15 OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES 

Hemos verificado el uso del presente rectificador para obtener una señal rectificada de onda completa, con valores muy cercanos a los teóricos. También concluimos que el uso de la resistencia Rs no era necesario y se obtenía prácticamente los mismos valores.



El valor de Rs debe ser pequeño para interfiera en el funcionamiento del circuito



En el circuito rectificador con toma central mientras un diodo conduce, en el otro soporta una tensión inversa pico del doble del nivel de tensión de la entrada de una mitad del transformador.



En el circuito rectificador de puente de onda completa, los diodos que no conducen en un semiciclo de la onda de entrada solo soportan una tensión inversa pico igual que entrega el secundario de transformador.



Los rectificadores de onda completa son más eficientes que los de media onda debido a que convierten todo el ciclo de una onda en continua, lo que un rectificador de media onda no lo hace.



En una experiencia real se tendría que tener en cuenta los armónicos producidos por el transformador.



Los rectificadores de puente de onda son más eficientes que los rectificadores de onda con un transformador con división central.

Referencias: https://unicrom.com/rectificador-onda-completa-contransformador/ https://sites.google.com/a/udlanet.ec/analogica300442/practica -3 https://es.slideshare.net/Tensor/rectificador-de-onda-completacon-transformador-de-toma-ok https://www.tecnologia-informatica.es/rectificadores-y-filtros/ https://electronicalugo.com/teoria-del-rectificador-de-ondacompleta-circuito-factor-de-trabajo-y-rizo/