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U N I V E R S I D A D

D E

P I U R A

FACULTAD DE INGENIERÍA “ELECTRÓNICA ANALÓGICA Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS” Tecnología Eléctrica II Grupo 4 Bustamante Ocaña, Maricarmen Millones Collantes, José Joe Ruiz Palacios, Patricia Seminario Chávez, Rosaura María Claudia

Piura, 4 de julio del 2017

I. ELECTRÓNICA ANALÓGICA

Circuito N°1: Rectificador de media onda con filtro.

   

FuenteAC  v= 9.4, f= 60hz Diodo  D6 Resistencia  R3= 10 kΩ Condensador  C1= 1uf

Figura 1. Circuito Rectificador de media onda con filtro, Proteus.

Procederemos a mostrar el circuito en el Protoboard.

Figura 2. Circuito Rectificador de media onda, Protoboard. Procederemos a mostrar la señal de entrada, y luego el efecto del diodo midiendo el voltaje en la resistencia.

Figura 3. Señal de entrada al circuito, Protoboard.

Ahora mediremos el voltaje en la resistencia.

Figura 4. Señal de salida del circuito, Protoboard.

Como podemos observar y según la posición del diodo, nos muestra que recorta el semiciclo negativo.

Figura 5. Frecuencia señal de entrada, Protoboard. Lo opuesto pasará si esque nosotros “volteamos al diodo”; es decir en el medio ciclo negativo, el cual dura 8x segundos, dejaria pasar corriente y en el positivo no, si tenemos una frecuencia de 60hz correspondiente. En principio un rectificador recibe una señal alterna VM=0; debemos de especificar que es una señal sinusoidal la de entrada, por lo tanto al momento de integrarla conseguimos dicho valor, ahora con el diodo genera una señal con un valor diferende de 0. Para este caso y según la disposición dada VM=

= 0.318 Vp.

Procederemos a mostrar el circuito del rectificador de media onda con filtro.

Figura 6. Rectificador de media onda con filtro, Protoboard. Ahora al añadirle un condensador tratamos de conseguir una señal continua, pero se asemeja a una puesto que este tiene un voltaje de rizado que esta en función de la capacitancia del condesador. Este voltaje corresponde a la descarga del condensador específicamente, el cual se carga al voltaje pico; trataremos que el condesador no se descargue en 8x segundos, puesto que no nos serviría se deduce que tiene que ser mucho mayor. Procederemos a medir el voltaje en la resistencia con el condesador acoplado a nuestro circuito.

Figura 7. Señal de salida - Rectificador con filtro, Protoboard. En esta imagen no se aprecia la carga del condesador, pero si como actua despues de la carga, se nota el voltaje de rizado que para este caso es un poco alto, pero solo bastaría con aumentar la capacitancia.

Circuito Nº2: Rectificador de onda completa

 Fuente AC  v= 9.4, f= 60hz  Diodo  D2, D3, D4, D5  Resistencia  R2= 10 kΩ

Figura 8. Rectificador de onda completa, Proteus.

Procederemos a mostrar el circuito en Protoboard. Para este circuito utilizaremos los siguientes elementos: 4 diodos y una resistencia de 10 kΩ. Colocaremos unos cables para unir las dos zonas que se encuentran entre la línea central; lo cual se conoce como puenteo, en este caso especifico son los cables verdes.

Figura 9. Rectificador de onda completa, Protoboard. La señal de entrada sería la misma que la anterior, ver Figura 3. Ahora que es lo que ocurre con la señal de salida, a la resistencia le llega corriente por un mismo lado para este caso especifico, rectificará la señal para el semiciclo positivo. En ese caso al ser de onda completa significa que al momento que la corriente pase al ciclo negativo, por medio de los diodos la conducirá y permitira el paso para que esta llegue a nuestra carga o resistencia. Sigue siendo un rectificador, el cual cumple la función de entregar un valor medio diferente de 0, por lo expuesto anteriormente su valor medio aumentará con respecto al de media onda, para ser exactos VM=

= 0.636 Vp.

Lo que cambia es el periodo, cambia en el sentido en que se reduce a la mitad, por lo tanto la frecuencia de salida sera exactamente dos veces la de entrada. La frecuencia de entrada sigue siendo la misma, ver Figura 5.

Procederemos a mostrar el voltaje de salida o medido en la resistencia.

Figura 10. Voltaje de salida – R. De onda completa, Protoboard. Podemos apreciar en el cuadro pequeño que se cumple lo que habíamos declarado anteriormente la frecuencia de salida es 120hz.

Circuito Nº3: Amplificador

 FuenteAC  v= 9.4, f= 60hz  Capacitores  C1, C2, C4  Resistencia  R2= 10 kΩ, R3, R4, R5, R1  FuenteDC  Vcc

Figura 11. Amplificador, Proteus.

Ahora tenemos a transistores en alterna, para este caso tenemos, dos acopladores que seria el condensador C1 y C2, los cuales cuales dejan pasar las señales alternas y eliminan DC. C1 Llevar Vin(AC) a la base al transistor elimina DC de Vin y C2 que deja pasar la señal amplificada a la salida. Por otro lado tenemos al condesador C4 que es un desacoplador, por lo tanto a R5 solo le llega corriente continua y la alterna la lleva a tierra. Procederemos a mostrar el circuito en Proteus, puesto que en el laboratorio nos indicaron que lo realicemos por este medio por falta de tiempo.

Figura 12. Amplificador, Proteus. Es un amplificador por lo tanto su principal función es tal cual amplificar una señal, en pocas palabras como si estiraras la onda sin modificar su periodo, a esa elevación de tensión o del valor pico se le conoce como ganancia es una relación entre el voltaje obtenido a la salida con la de entrada. Veamos la siguiente gráfica la cual muestra la señal de entrada y la de salida (amplificada).

Figura 13.Señal de Salida - Amplificador, Proteus.

Podemos observar la ganancia o amplificación de señal de nuestro circuito.

Circuito 04. Circuito con OPAM’s – Sumador Inversor.

 FuenteAC  Señal cuadrada f= 60hz  Resistencia  R2= 10 kΩ, R3, R4, R1  FuenteDC  4V

Figura 14. Sumador inversor, Laboratorio. En este caso tenemos un operacional, el cual es un circuito integrado, tiene amplificador diferencial, de tensión y de potencia, nos permite realizar operaciones como suma, resta, multiplicación y división de señales. Debemos considerar que de forma ideal tiene una resistencia infinita, para este caso V1 y V2 serán las dos señales de entrada, cuadrada y continua respectivamente. En este caso no pudimos desarrollarlo en el laboratorio, así que también lo haremos en Proteus.

Figura 15. Sumador inversor, Proteus. En este caso hemos utilizado dos baterías de 15V para polarizar a nuestro OPAM, como se puede apreciar en la imagen, por otro lado se pueden apreciar la señal continua de 4 volteos y la cuadrada. Mostraremos la imagen donde se aprecia la señal cuadrada de entrada y en la salida sumada e inversa con la continua.

Figura 16. Señal de Salida - Sumador inversor, Proteus.

La señal de entrada esta de color verde y la de salida de rojo, se puede apreciar claramente como se le ha sumado la fuente continua y además es su inversa de la señal de entrada. CONCLUSIONES 1) Del primer rectificador de onda con filtro, podemos deducir que es directamente proporcional el tiempo de descarga de un capacitor con su capacitancia, y el tiempo a la vez con la resistencia del circuito. Podemos explicar la relación descargacapacitancia, lo que pasa el condensador consta de un material dieléctrico, el cual nos permite almacenar cargas, al momento que el voltaje (AC) es menor que la diferencia de potencial en los conductores del capacitor este se comporta como una fuente, que en este caso es consumida(descargada) por la resistencia. Se puede explicar por otro lado la relación descarga-resistencia, no debemos olvidar que la función de una resistencia, es que impide el paso de corriente. Por lo tanto cuando exista un capacitor y una resistencia esta al aumentar su valor dejará pasar más lento a los electrones del condensador. Cabe aclarar que esto funciona, para una frecuencia dada, puesto que también se puede explicar la relación frecuencia-descarga, si aumentamos esta frecuencia el tiempo de descarga será menor (periodo), por lo que necesitaremos una capacitancia o resistencia menor. Pero en si para rectificar una corriente alternar y tratar de asemejarla una continua, tenemos que hallar la relación precisa conjugando la capacidad eléctrica con la resistencia del circuito, puesto que con la frecuencia no podemos hacer mucho. 2) Segunda conclusión, ahora nos fijaremos en los Opams, en primer lugar un operacional es un circuito integrado el cual nos permite realizar distintas funciones de acuerdo a como es colocado en el circuito, entonces muchas de sus aplicaciones consisten en sistemas que procesan señales, podemos encontrar exponenciales, logarítmicos, sumadores, multiplicadores, etc. Su análisis consiste en encontrar una relación entrada-salida, la cual está establecida mediante una ecuación. Entonces su utilidad se basa en sistemas alimentadores que generan un cierto tipo de señal para controlar otros sistemas electrónicos.

3) En cuanto a la realización del laboratorio, solo pudimos realizar dos circuitos de los 4 propuestos, pero nos permitió observar como en la realidad las ondas generadas por el osciloscopio no son perfectas, puesto que están sujetas a interferencias de señales que se pueden colar en el filtro de este. 4) El protoboard es un recurso con el que los estudiantes pueden desarrollar proyectos electrónicos para verificar su funcionamiento y hacer los los ajustes necesarios hasta verificar su funcionamiento sin dañar los componentes y dispositivos electrónicos. El protoboard tiene una variada aplicación en distintas áreas del aprendizaje y desarrollo del diseño electrónico. 5) Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Permite visualizar los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La gráfica dada por el osciloscopio permite analizar si es el que circuito que está midiendo ha sido diseñado correctamente según la función que quiere que cumpla. También sirve para medir el ruido que afecta las salidas en la forma real. De manera didáctica ayuda a entender cómo en un circuito las señales de salida cambian según dónde se mida el voltaje.

II. SIMULACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS

Circuitos electrónicos y su aplicación Alarma corte de luz: Esta alarma se encarga de avisar cuando hay un fallo de energía. Se utiliza en diferentes procesos industriales o simplemente en el hogar donde es necesario conocer si la energía eléctrica, que alimenta algún sistema o circuito importante, se ausenta. Para este circuito se utilizan:        

4 Resistencias: R1, R2, de 12K, 2.7K cada una respectivamente y R3 y R4 de 1K ambas. 1 transistor PNP: 2N3704 (NTE85). 1 condensador electrolítico de 470 uF de 18 voltios o más. 4 diodos semiconductores: D1= D2= D3 =D4 = 1N4001. 1 tiristor TR1: C106Y1 (NTE5452). 1 transformador de 120/240 VAC o más, de 500 mA. 1 zumbador de 6 o 9 voltios. 1 batería de 6 o 9 voltios.

*Zumbador, buzzer en inglés, es un transductor electroacústico que produce un sonido o zumbido continuo o intermitente de un mismo tono (generalmente agudo). Sirve como mecanismo de señalización o aviso y se utiliza en múltiples sistemas. En el circuito: Se conecta a la fuente un transformador T1. El voltaje AC que pasa por T1 es rectificado por el diodo D1 (diodo rectificador) y filtrado por el condensador electrolítico C1. Existirá un nivel de voltaje en D2 de 12v siempre que haya una corriente (considerando que D1 y D2 se encuentran en polarización directa). El transistor Q1 trabaja como un regulador de tensión, controlándola manteniendo la puerta del SCR (rectificador controlado de Silicio) del Tiristor (TR1) a un nivel bajo de voltaje. Así el SRC no recibe el impulso, no hay disparo y por ende no hay aviso de alarma. El SCR está alimentado por la batería de 9v. Cuando no hay energía, la señal que viene del transformador desaparece, entonces el diodo D2 no conduce evitando que el transistor Q1 se sature debido a la energía de la batería (Q1 en corte). La batería polariza en sentido directo al diodo D3 y por las resistencias R2, R3, R4 pasa una misma corriente. El voltaje en la puerta del SCR de TR1 sube y dispara haciendo que el zumbador se active avisando que existe una ausencia de energía. Para poder desactivar la alarma únicamente se debe desconectar la batería ya que esta señal de fallo no desaparece debido a que el tiristor TR1 sigue en conducción a pesar de que en la puerta ahora tenga un voltaje bajo.

Figura 17. Circuito de alarma de fallo de energía.

Amplificador de audio: La función que cumple este amplificador es aumentar el nivel de una señal, aumentando la amplitud de señal de entrada. Para este circuito se utilizan:        

2 resistencias R1 Y R2 de 1k ambas y 2 resistencias R3 Y R4 de 10k las dos. 1 potenciómetro de 20k como R5. 1 amplificador operacional LM741 o similar. 1 transistor bipolar NPN 2N3904 o similar (Q1). 1 transistor bipolar NPN 2N3906 o similar (Q2). 1 condensador electrolítico de 4.7 uF (C1). 2 condensadores electrolíticos de 470 uF (C2, C3). 1 parlante (altavoz) miniatura de 8 Ω.

Un potenciómetro es un dispositivo conformado por 2 resistencias en serie, las cuales poseen valores que pueden ser modificados por el usuario. Existen en múltiples tipos, variando su forma y el método cómo modifican los valores de las resistencias. En el circuito: Este es un amplificador de potencia de audio que trabaja con 12 voltios en DC, con un amplificador operacional LM741 que actúa como amplificador inversor donde la señal en la salida del operacional (pin 6) está invertida con respecto a la señal de entrada y éste se utiliza para manejar los dos transistores (Q1 Y Q2), los cuales deben colocarse en disipadores de calor para evitar daños. Estos transistores son colocados en configuración de simetría complementaria o Push-Pull (montaje en contra fase) para que cada uno amplifique un semiciclo, que al final es filtrado por el condensador C2. La señal de audio, amplificada en corriente, finalmente pasa al parlante. El lazo de realimentación del amplificador operacional incluye la unión base – emisor de los dos transistores (Q1, Q2), configurados de manera tal que ayudan a reducir la distorsión que normalmente ocurre en un amplificador con unión base – emisor y que tiene una caída de voltaje de 0.6 V. El potenciómetro R5 sirve para controlar el volumen o modificar la ganancia de voltaje del amplificador de audio, que va de 2 hasta 22 aproximadamente. Esta ganancia se obtiene mediante la fórmula: G = 1 + (R5+R2)/R1 La potencia que se puede obtener de este circuito es de aproximadamente 1/2 watt, en un parlante de 8 ohmios.

Figura 18. Circuito de un amplificador de audio con 741.

Cargador de batería con desconexión automática: Este cargador de batería con desconexión automática, sirve para cargar una batería de 12 voltios DC con la alimentación de 110/220 VAC. Para este circuito se utilizan:     

3 Resistencias de 47 Ω de 2 watts, 1 de 1 KΩ de 1 watt y 1 potenciómetro de 750 Ω de 1 watts 2 Tiristores: 1 SCR1 común de 5 amperios o más y 1 SCR2 común de 1 amperio. 2 Capacitores: 1 capacitor electrolítico de 50 uF, 25 voltios o más. 3 Diodos rectificadores de 3 amperios, 1 diodo Zener de 11 Voltios, 1 watt. 1 Transformador con secundario de 24 voltios con derivación central, 4 amperios.

En el circuito: En la entrada hay 110/220 voltios en corriente alterna que pasa por Transformador que en la parte del secundario hay un sistema rectificador de onda completa (diodos D1 y D2). El voltaje resultante se aplica a la batería que se desea cargar a través del tiristor (SCR1). Cuando la batería está baja de carga, el tiristor (SCR2) está en estado de corte es decir no conduce corriente y se comporta como un circuito abierto. Esto significa que a la compuerta del tiristor (SCR1) le llega un nivel de voltaje suficiente para el disparo y le llega la corriente (corriente controlada por el resistor R1) necesaria para dispararlo. Cuando la carga se está iniciando (la batería está baja de carga) el voltaje en el cursor del potenciómetro es también bajo. Este voltaje es muy pequeño para hacer conducir al diodo Zener (Z) de 11 voltios, así que éste se comporta como un circuito abierto y SCR2 se mantiene en estado de corte. A medida que la carga de la batería aumenta, el voltaje en el cursor del potenciómetro también aumenta, llegando a tener un voltaje suficiente para hacer conducir al diodo Zener. Cuando el diodo Zener conduce, dispara al tiristor (SCR2) que ahora se comporta como un corto. Cuando el tiristor SCR2 conduce se crea una división de voltaje con los resistores R1 y R3. La división de voltaje causa que el voltaje en el ánodo del diodo D3 sea muy pequeño para disparar al tiristor (SCR1) y así se detiene el paso de corriente hacia la batería (dejando de cargarla). Cuando esto ocurre la batería está completamente cargada. Si la batería se volviese a descargar el proceso se inicia automáticamente. El capacitor C, se utiliza para evitar posibles disparos no deseados del SCR2

Figura 19. Circuito de un cargador de bateria con desconección automática.

Simulación de circuitos en PROTEUS a. Rectificador de onda completa con tres rizados diferentes El circuito rectificador de onda completa es el tipo más empleado en las fuentes de alimentación de los equipos, debido a que con él se obtiene una corriente continua muy parecida a la que proporcionan las pilas o las baterías. Es importante mencionar que a medida que ponemos condensadores de mayor capacidad, la corriente continua es más perfecta (desaparece la tensión de rizado), por ello uno de los objetivos del diseño será buscar un condensador con una capacidad adecuada que permita obtener una onda de salida casi totalmente continua. Entendiéndose al rizado como el pequeño componente de alterna que queda tras rectificarse una señal a corriente continua.

Ahora bien, se solicitan 3 rizados diferentes y como se sabe que el rizado variará dependiendo del valor de capacidad que posean los condensadores incluidos en el circuito, se seleccionó algunos valores comerciales adecuados para la tarea: 0.1uF, 10uF y 100uF. Datos comunes: 10 V – Voltaje de entrada 0.7 – Voltaje de diodos 10 kΩ - Carga.

Figura 20. Circuito rectificador de onda completa en PROTEUS. i.

0.1uF – Condensador

Figura 21. Gráfico de voltje del rectificador de onda completa con un valor del condensador de 0.1uF (Período de tiempo 50m).

ii.

10uF

Figura 22. Gráfico de voltje del rectificador de onda completa con un valor del condensador de 10Uf (Período de tiempo 100m). iii.

100uF

Figura 23. Gráfico de voltje del rectificador de onda completa con un valor del condensador de 100uF (Período de tiempo 100m). Como se mencionó previamente el rizado disminuye con un valor adecuado de capacidad, 0.1uF no son suficientes para evitar un rizado pronunciado y esto se refleja en la figura .. donde observamos que la amplitud del voltaje de rizado es alta. Concluimos con ello que se requiere de un condesador con una capacidad mucho mayor. En el segundo caso, con 10uF se ve en la figura .. que el voltaje de rizado disminuye y que ,como se espera, se rectifica la señal a una similar a la continua pero un tanto deficiente. Finalmente, en la figura .. vemos que este objetivo se cumple casi por completo; es decir, se rectifica muy bien la señal obteniendo como resultado una señal casi continua; sin embargo, se ha de tener en cuenta que si bien cumple de manera efectiva su funcioón para efectos prácticos se prefiere usar valores medios de condensadores puesto que valores grandes de capacitancia involucran un mayor desembolso de dinero.

b. Triplicador de tensión Los datos de este circuito son los siguientes:  Voltaje alterno (V3): 100 V  Diodos (D1, D2 y D3): 0.7V  Condensadores (C7, C8 y C9): 100uF  Resistencia (R1): 20kΩ

Figura 24. Triplicador de tensión. De acuerdo con los conceptos enseñados en clase se dispuso el circuito con tantos condensadores y diodos como veces queremos que se amplifique la tensión de entrada. Ahora bien, para comprobar que se cumpla lo mencionado previamente se colocó un voltímetro, como se muestra en la figura …, que arrojo un valor de 298V , un valor muy cercano a 300V. Por ende, podemos establecer que se cumple la triplicación del voltaje.

Figura 25. Circuito con un voltímetro para comprobar la triplicación del voltaje. Un triplicador de tensión es un tipo de multiplicador cuyo objetivo es recibir una señal alterna para generar una señal continua amplificada. Algunos de sus usos o aplicativos involucran: la generación del alto voltaje requerido en los tubos de rayos catódicos, tubos de rayos X, para alimentar fotomultiplicadores para detectores de rayos gamma, para la generación de altos voltajes para experimentos de física de alta energía, entre otros.

c. Circuito que genere una señal cuadrada (uso de diodos) Para generar una señal cuadrada es conveniente utilizar diodos recortadores polarizados. Estos se utilizan para eliminar parte de una forma de onda que se encuentre por encima o por debajo de algún nivel de referencia. Generalmente son utilizados para realizar dos funciones distintas que se adjudican a periodos que se repiten, para simular señales pulsantes o para pruebas y calibración de circuitos de tiempo. Los datos de este circuito son los siguientes:  Voltaje alterno (Vac): 380V  Fuentes adicionales (V2 y V3): 5V  Diodos (D1 y D2): 0.7V  Resistencia (R1 y R2): 10kΩ y 680kΩ

Figura 26. Recortador polarizado.

Figura 27. Gráfico de tensión de salida del rectificador polarizado (Período de tiempo 70m). Asimismo, es necesario mencionar que se debe cumplir que el voltaje de entrada debe ser mayor que las fuentes que se colocan cerca de los diodos y de igual manera la resistencia correspondiente a la carga debe ser mayor que el equivalente a la 100 veces la resistencia ubicada después de la fuente mayor. Cumpliéndose que, entre mayor sea el voltaje de la fuente más cuadrada será la gráfica obtenida.

Se ha de tener en cuenta también que la polaridad de las fuentes y los diodos deben tener una correspondencia inversa para el logro de este objetivo.

d. Amplificador multietapa con ganancia mayor a 500 Se consideran dos transistores partidores de tensión semejantes con fuente DC común. Los valores de los componentes usados en el circuito son: V1: fuente AC con amplitud 4mV. V2: fuente DC de 20V. C1, C2: condensador de acoplo con valor de 10 µF. C3, C3’: condensador de desacoplo con valor de 10 µF. C2’: condensador de acoplo con valor de 40 µF. R1, R1’: resistencia de 220 kΩ. R2, R2’: resistencia de 56 kΩ. R3, R3’: resistencia de 6.8 kΩ. R4, R4’: resistencia de 2.2 kΩ. Q1, Q2 transistores NPN. Y una carga alimentada de 50 kΩ. El circuito construido en Proteus es el siguiente:

Figura 28. Circuito de multietapa construido en PROTEUS. Se puede observar que se han colocado 3 medidores de voltaje para conocer la ganancia de cada transistor y con ello, la ganancia total. El primer medidor el Vin1, el segundo ubicado justo después de C2 es el Vout1 que coincide con el Vin2 y por último, el tercero el Vout2.

Se construyen, a partir de los medidores, dos gráficas:

Figura 29. Gráfica de Vin1 vs Vout1.

Figura 30. Gráfica de Vout1 vs Vout2.

En las gráficas anteriores se puede ver algo inusual: el Vout1 tiene componente continua, este debió haber desaparecido tras el C2. Al calcular la ganancia de cada amplificador podemos notar cómo estos cálculos son erróneos, las ganancias calculadas no son correctas pues consideran algunas señales con parte DC y otras sólo con AC.

Es por eso que se debe hacer algún ajuste al circuito. Ahora realizamos la siguiente corrección: agregamos un condensador de 10uF a la entrada del amplificador 2:

Figura 31. Circuito de multietapa construído en Proteus con ajustes.

En las siguientes gráficas vemos como efectivamente elimina toda la señal continua y solo deja pasar la señal alterna:

Figura 32. Gráfica de Vin1 vs Vout1.

Figura 33. Gráfica de vout1 vs vout2.

Al calcular la ganancia de cada amplificador podemos notar cómo estos cálculos son correctos. Para calcular la ganancia se han usado la amplitud de las señales anteriormente mostradas.