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Laboratorio 1: fuente de voltaje DC Fredy Alexander Castañeda Pereira {[email protected]}

Resumen— El siguiente informe muestra el análisis y resultados de la primera práctica de la materia electrónica básica. El laboratorio consiste en hacer la rectificación de onda completa. Para ello se transformará la onda AC (corriente alterna) en una onda DC (corriente continua). Además, al circuito se le añadirá un dispositivo que utilice corriente DC para demostrar que la práctica funciono. Palabra claves—Diodos, condensador, transformador, onda completa, onda rectificada, corriente alterna (AC), corriente directa (DC).

I. INTRODUCCIÓN

L

A corriente que nos llega a nuestros hogares y en general la corriente que circula en cualquier sistema eléctrico es corriente AC (por su facilidad y economía de transporte), pero todos los aparatos electrónicos que utilizamos en nuestro día a día requiere corriente DC. Para hacer la transformación de la corriente que nos llega a nuestros hogares a la corriente que pueda utilizar nuestros aparatos electrónicos se necesita de un circuito rectificar, cuya función es convertir el voltaje DC obtenido a la salida de un trasformador en un voltaje AC, el cual tiene una polaridad única. Este proceso de rectificación se realiza mediante unos componentes electrónicos llamado diodos. Diseñados específicamente para permitir la circulación de corriente en un solo sentido y bloquearla en sentido opuesto, lo hace adecuados para convertir corriente bidireccional y corriente directa o continua unidireccional. El voltaje DC proporcionado por un rectificador, aunque mantiene una polaridad única, no es adecuado para alimentar circuitos electrónicos. Esto es gracias a que su valor no se mantiene contante. Para suavizar este voltaje y convertirlo en un voltaje DC uniforme es necesario un filtro que por lo general es un condensador electrolítico de muy alta capacidad. Y es así como obtenemos la corriente que utilizamos para poder jugar nuestros videojuegos o poder ver series en Netflix, este proceso de rectificación se hará en el presente laboratorio.

III. MARCO TEÓRICO Rectificador de onda completa El rectificador de onda completa es un circuito empleado para aprovechar ambos semiciclos de la corriente alterna y obtener corriente directa como resultado ideal (positivo y negativo) aunque el resultado aparenta ser el mismo que en el rectificador de media onda, en este caso los niveles de intensidad son superiores y la caída de tensión es menor cuando se le aplica una carga al sistema [1]. Uso de los rectificadores de onda completa El rectificador de onda completa es muy utilizado en circuitos electrónicos dígase radiorreceptores, televisores, computadoras, equipos de video, entre otros. Estamos hablando de circuitos que por sus características necesitan una alimentación que no produzca ruidos en sus sistemas y que permitan a la parte analítica su correcto desempeño. Funcionamiento Independientemente de que existen otras formas de rectificadores de onda completa, el más sencillo está basado en un puente rectificador de cuatro diodos y un condensador: En este sistema, al circular la corriente alterna por el puente rectificador los diodos D3 y D4 separan los semiciclos positivos y D1 y D2 separan los semiciclos negativos. El condensador C1 se encarga de sostener la tensión resultante en la fracción de segundo en que la fuente de Corriente Alterna (AC) cambia su polaridad.

II. OBJETIVO Implementar una fuente dc que permita validar rectificación de media y onda completa. Validar la variación de rizado y de regulación de salida. Figura 1. Circuito rectificador y onda rectificada

IV. MATERIALES • • • • • • • • • • • • • • •

Transformador reductor (10:1) Clavija toma 120Vac 4 diodos IN4002 4 diodos IN4004 4 diodos IN4007 1 condensador electrolítico de 68 μF / 25V 1 condensador electrolítico de 1000 μF / 25V 1 condensador electrolítico de 2200 μF / 25V Protoboard Osciloscopio Multímetro Conectores 2 leds 2 resistencias de 240 Ω 1 motor DC de 5V V. MÉTODOS

El primer paso es conectar el transformador a la corriente, para esto hay que identificar muy bien los terminales de los devenados primario y secundario del transformador, para el transformador que yo utilice en esta práctica tenía dos rótulos donde se indicaba esto. De no ser así basta con configurar nuestro multímetro como óhmetro y medir, el valor de resistencias del primario será mayor que la del secundario. Una vez identificado el primario, este se debe soldar a la clavija toma 120Vac, para este caso no importa que cable del transformador se suelda a la clavija, ya que la corriente de entrada es AC. Cabe aclarar que la corriente aún es AC, el trasformador lo único que hizo fue bajar la potencia.

Para la práctica yo utilice tres tipos de referencias de diodos diferentes los cuales fueron: IN4002, IN4004, IN4007. Estos tipos diodos son los más fáciles de conseguir, además de que son perfectos para los voltajes y corrientes que estamos manejando.

Figura 4. Parte positiva de la región alterna rectificada

Cuando la parte positiva de la tensión alterna (en color rojo) ingresa al puente de diodos, D1 y D2 se polarizarán en directa y cuando sobre cada uno de ellos caiga aproximadamente 0,7V ambos diodos se activarán y conducirán la corriente, mientras que para este caso D3 y D4 se polarizan en inversa por lo cual no se activan y no conducen corriente, sobre la resistencia de carga la corriente ingresará por A, por lo tanto el potencial de A será mayor que el potencial de B, entonces A será positivo con respecto de B, la Vsal será positiva, esto por Kirchoff, como no hay más carga en el camino de la corriente la tensión que caerá sobre la resistencia de carga será Vsal=Vent-1,4, ya que sobre cada diodo cae 0,7V.

Figura 5. Parte negativa de la región alterna rectificada

Figura 2. Conexión del transformador hecha en Multisim

Figura 3. Onda vista en osciloscopio Multisim

Después de haber puesto el transformador, el siguiente hacer el puente de diodos (ver figura 1). Para esto conectaremos los diodos como se indica en la figura 4 (cabe aclarar que el ánodo del diodo es donde hay dibujada una pequeña franja blanca).

Cuando la parte negativa de la tensión alterna (en color azul) ingresa al puente de diodos, D4 y D3 se polarizan en directa y cuando sobre cada uno de ellos caiga aproximadamente 0,7V ambos diodos se activarán y conducirán la corriente, mientras que para este caso D1 y D2 se polarizan en inversa por lo cual no se activan y no conducen corriente, sobre la resistencia de carga la corriente ingresará por A, por lo tanto en la resistencia la corriente tiene el mismo sentido que cuando es la corriente positiva la que ingresa al puente, nuevamente el potencial de A es mayor que el potencial de B, entonces A será positivo con respecto de B, la Vsal será positiva, esto por Kirchoff, como no hay mas carga en el camino de la corriente, la tensión que caerá sobre la resistencia de carga será Vsal=Vent-1,4, ya que sobre cada diodo cae 0,7V. Ahora se puede comparar como será la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada.

Figura 9. Onda Rectificada Figura 6 . Comparación de la ondas de entrada y salida

Se puede ver la forma de onda de la salida (en verde) que corresponde a la rectificación de onda completa, se comprueba que mediante el puente de diodos se puede rectificar la parte positiva y la parte negativa de la tensión alterna de la entrada; en la comparación se observa que la Vsal será menor en 1,4V a la Vent, ademas, el periodo de la Vsal es la mitad del periodo de la Vent, lo que indica que la frecuencia de la Vsal es el doble de la frecuencia de Vent, esto se puede indicar así: 𝑓𝑠𝑎𝑙 = 2(𝑓𝑒𝑛𝑡 )

Para la práctica yo utilice tres tipos de condensadores, que son los más comunes, pero de diferentes ordenes de magnitud, para demostrar el efecto de este en el rizado. Los condensadores que utilice son: 68 μF / 25V, 1000 μF / 25V, 2200 μF / 25V. El voltaje que indica los diodos es muy importante, ya que es el máximo voltaje que soportara estos, de ser excedido estos explotaran siendo muy peligroso para cualquiera que este cerca. En mi caso el circuito que diseñe jamás superara los 20 V.

(1)

Figura 10. Simulación del circuito con un condensador hecha en multisim

Figura 7. Circuito rectificador de onda hecho en Multisim

Figura 11. Onda rectificada y filtrada vista en osciloscopio Multisim

Para la parte de consumo conecte 2 led en paralelo junto con un motor DC de 5 V.

Figura 8. Onda rectificada vista en osciloscopio Multisim

Además de la etapa de rectificación, es necesario eliminar la componente de AC, para ello utilizamos el condensador, el condensador se cargará mientras la tensión de la onda senoidal sea superior a la suya, almacenando energía; cuando la tensión de la onda sea inferior a la del condensador, éste se descargará sobre el circuito, hasta que la señal vuelva a tener una tensión superior a la del condensador, momento en que volverá a cargarse y repetir el ciclo. Esto puede verse representado por la línea de color azul de la imagen inferior; la línea roja de puntos representa la señal rectificada.

Figura 12. Circuito rectificado con parte de consumo conectada

VI. ANÁLISIS DE RESULTADOS Vemos como la transformación de la onda se hizo en todo el proceso de rectificación y filtrado. En el primer parte del proceso hay que bajar la tensión ya que, si trabajamos conectada directamente a la corriente, esto puede ser muy peligroso.

Ya después de que nuestra onda haya sido rectificada, esta aún no nos sirve y para eso hay que hacer el proceso de filtrado, según el condensador que utilicemos el rizado de la onda será mayor o menor, para nuestro caso vemos que entre mayor sea el capacitor mejor será el rizado de la onda debido a que la caída de la corriente es más lenta, por lo que la curva se suaviza.

Figura 13. Transformador del circuito

Aún después de haber bajado la corriente esta seguirá siendo AC, como se muestra en la siguiente figura.

Figura 17. Puente rectificador con capacitor.

Figura 14. Onda producida por el trasformador medida en el laboratorio

Al añadir un condensador a la salida del puente de diodos, amortiguamos la onda, debido a que el condensador se carga mientras la onda asciende, y se descarga lentamente cuando desciende [2].

Ya después de haber bajado el voltaje hay que realizar en puente de diodos para rectificar la onda.

Figura 18. Onda rectificada y filtrada medida en el laboratorio Figura 15. Puente de diodos hecho en la protoboard

Según lo que investigue y las mediciones que hice en el laboratorio, los diodos que utilice no difieren mucho, la única diferencia importante es en la corriente que pueden transportar, que para las referencias utilizadas van entre 2.5A y 3A.

Figura 16. Onda medida en el laboratorio después de haber sido rectificada por el puente de diodo

El valor de voltaje de la corriente en la salida lo podemos calcular como 𝑉𝑝 = 𝑉𝑒 ∗ √2 𝑉𝑝 = 11.8 ∗ √2 𝑉𝑝 = 16.68𝑉 𝑉 𝐶𝐷 = 𝑉 − 1.4 𝑉𝐶𝐷 = 15.28 1.4 es la caída de voltaje de los diodos, donde tenemos que para cada diodo es aproximadamente 0.7V. 𝜔 = 2𝜋𝑓 𝜔 = 120𝜋 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Tenemos que la frecuencia de la corriente es de 60Hz. 𝑉(𝑡) = 15.28𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 + 𝜃) 𝑉𝑝 𝑉𝑟𝑚𝑠 = √2 𝑉𝑟𝑚𝑠 = 11.79𝑉 Por último, podemos hacer la comparación entre como es la

señal de la onda al principio y al final del proceso de rectificación y filtrado.

Figura 20. Comparación de las ondas medidas en el laboratorio.

VII. CONCLUSION El paso de corriente AC a DC es algo muy importante para que cualquier dispositivo electrónico funciones, para ello debemos tener muy en cuenta el circuito de rectificado de onda y filtrado de esta. Para ello hay que tener muy en cuenta los diodos y los condensadores que vamos a utilizar, como ya dijimos, si el voltaje excede a la capacidad del condensador, este explotara, pero además si tenemos un condensador muy grande, la energía almacenada de este puede perjudicar el circuito. Cuando se diseñe un circuito hay que tener en cuenta todo lo dicho para un optimo funcionamiento de este.

REFERENCIAS [1] [2]

Rectificador de onda completa [Online]. Disponible: https://www.ecured.cu/Rectificador_de_onda_completa Funcionamiento de una fuente de alimentación conmutada III. Rectificador y condensador [Online]. Disponible: https://fidestec.com/blog/fuentes-de-alimentacion-conmutadas-03/