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Trabajo práctico de laboratorio

virtual n° 4

Fuentes de alimentación

Cátedra:

Instrumental y dispositivos electrónicos

Perez, Ángeles

INSTRUMENTOS Y DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

OBJETIVOS

· Estudiar los circuitos rectificadores. · Aplicar filtros capacitivos a circuitos rectificadores. · Comprender el concepto de ripple. · Realizar el diseño de una fuente de alimentación elemental. · Aplicar el diodo zener como regulador de voltaje. CONCEPTOS NECESARIOS PARA ESTE TRABAJO PRÁCTICO Para realizar este trabajo práctico debe estudiar previamente los siguientes temas:

1. Diodos: concepto de voltaje de pico inverso
2. Rectificadores: circuitos de media onda, onda completa y puente; características más significativas
3. Filtro capacitivo en fuentes de alimentación
4. Fuentes de alimentación: diagrama en bloques y diseño
5. Regulación con zener DESARROLLO Tener en cuenta:

• Error aceptable del 10% de las especificaciones dadas.
• Utilizar valores normalizados de los componentes en todos los casos.
• Presentar las gráficas obtenidas en el simulador para cada ítem.
• Hacer un zoom para medir y observar el ripple con mayor precisión
• Para cambiar base de tiempo de la senoidal de 50 Hz, ajustar en el simulador la base de tiempo aproximadamente en 5 mseg. ( tools®simulation ®timing control®time base)
• En el simulador utilizar un transformador con una relación 13:1.

Utilizando la ley de Ohm, se tiene que el voltaje será igual a una constante por la

corriente, y que tanto el voltaje y la corriente tienen la misma forma.

Con el osciloscopio, se utilizara este concepto para poder medir la corriente, y la

medicion del voltaje de carga se va a ver afectada por la resistencia que se utilice

para medir la caida de potencial en ella, y de esta forma medir de manera indirecta

la corriente que pasa por RL.

Se puede observar en el canal rojo que la tensión en la RL=16,9V y luego, en canal

azul la salida del transformador.

Utilizando la ley de Ohm:

𝑉𝑟𝑙

𝑅𝐿^ =^

|𝑉𝑟𝑙|

1 Ω =^ 𝐼𝑟𝑙 = 43, 3 𝑚𝐴

En el calculo, se llego al resultado de un transformador 14:1, sin embargo, en el

livewire se utilizo un transformador de 13:1 debido a que es solicitado de esta forma

en el ejercicio, por lo cual hay diferencias que se van a observar en el voltaje y en la

corriente sobre la carga 𝑅

𝐿 2- Al rectificador del punto anterior, agregarle un filtro capacitivo para lograr un ripple (P-P) de aproximadamente 400 mV.

• Calcular el capacitor necesario, valor normalizado (Capacidad y tensión de aislación)
• ¿Qué tensión y corriente tiene ahora en la carga? Dibuje en escala la tensión y la corriente.
• Arme el circuito en el simulador, mida la tensión y el ripple en la carga. Compare con los resultados que obtuvo en su diseño.
• Cambie el capacitor (en el simulador) por uno del doble de capacidad calculada y luego por otro de la mitad. Mida de nuevo el ripple en cada caso y explique los resultados que obtiene ahora comparando con los que obtuvo en el punto anterior. Para calcular 𝐼𝑐𝑐hay que tener en cuenta que: 𝑉 , 𝑐𝑐

𝑟𝑝𝑝

𝐿

de esta forma poder calcular el valor de la capacidad utilizada para lograr un Ripple de 400 mV para : 𝐼𝑐𝑐 = 𝑉𝑐𝑐 𝑅 (^) 𝐿^ =^ 15,7 𝑉 390 Ω =^ 39, 7 𝑚𝐴 Teniendo calculado 𝐼𝑐𝑐y sabiendo que la capacidad es igual a la corriente media sobre el producto de la frecuencia del circuito ya rectificado y el voltaje del Ripple se calcula: 𝐶 = 𝐼𝑐𝑐 𝑓 (^) 𝑖𝑉 (^) 𝑟𝑐𝑐^ =^ 39,7 𝑚𝐴 50400𝑚𝐴 = 1985 μ𝑓 El valor normalizado de capacitancia más cercano es de 2200 μ𝑓, con un rango de voltaje de aislamiento desde 6,3 hasta 100 V.

Para el cálculo de la corriente y la tensión en la carga, podemos ver que ahora la componente oscilatoria está sólo dada por el Ripple entonces es posible encontrar el valor máximo y mínimo de cada una : Tensión: Corriente

Corriente filtro Haciendo un análisis, es posible concluir que existen diferencias entre el software y los cálculos, esto es debido a que el livewire utiliza valores reales de capacidad con relación al voltaje dado por el circuito (rectificación proporcionada por el diodo), lo cual en cálculo no se puede ver. Esta diferencia entre ellos se basa en el Ripple y consecuentemente en los valores rango de voltaje y corriente, siendo los del software valores inferiores a lo calculado. Por otra parte, en el software se utilizaron valores comerciales de capacitancia y en los cálculos se utilizó valores de lo mismo, lo que justifica la variación del Ripple. Se puede ver mediante el liveware la aproximación del valor de el. Para la capacitancia de 2200 μ𝑓se tiene un ripple de 350 V. La que si se varía aumentando el doble el valor y reemplazando los valores comerciales respectivamente, la que seta de 4700 μ𝑓se halla un ripple menor de aproximadamente 144 V. De manera inversa, la capacitancia es la mitad de la calculada y normalizada, es decir 1200 μ𝑓obtenemos un ripple de 550 V. De esta forma se concluye que, a mayor valor de capacitancia, menor va ser el ripple resultante.

A mayor capacitancia, el capacitor tardará más tiempo en descargarse y su recta de descarga es menos pronunciada; por lo cual el ripple disminuye considerablemente al aumentar la capacidad al doble. A menor capacitancia, el capacitor tarda menos tiempo en descargarse y su recta de descarga es más pronunciada; por lo que el ripple aumenta considerablemente al disminuir la capacidad a la mitad.

El valor comercial de resistencia más cercano es el 82 Ω. Los circuitos y gráficas se encuentran en la página 2 del liveware. Circuito esquemático en livewire con valores normalizados, se puede observar que se agregaron resistencias (1 Ω ) para realizar cada una de las mediciones indirectas de corriente. Colocando los osciloscopios, se dispone a medir la tensión:

Grafica correspondiente a la corriente del diodo comun Gráfica correspondiente a la tensión del diodo común Gráfica correspondiente a la corriente del diodo Zener

• Tanto la corriente como la tensión de carga se mantiene constante, esto es debido al efecto regulador del l diodo zener. Para este circuito con una resistencia de 100 Ω, se presentan errores en el simulador con los cuales no son concluyentes los resultados de esta carga, debido a que el valor de la resistencia y del voltaje no se mantiene constante. Es de esta manera que se comprueba por medio de pruebas que los valores de resistencia deben ser de un mínimo de 200 Ωaproximadamente, para que una fuente se mantenga constante. 4- En qué cambiaría su diseño si en vez de un rectificador de media onda utiliza un rectificador de onda completa. Justifique (reemplace en el simulador solamente el rectificador y analice). Para poder rectificar la onda completa se puede utilizar 4 diodos formando un puente de diodo, o utilizar dos diodos conectados a un transformador de punto medio. En este caso se utilizará el puente de diodo, ya que no es necesario conectar el circuito a un transformador de punto medio. De esta forma es posible aprovechar toda la energía entregada por la fuente alterna, ya que se rectifica toda la onda. En el caso anterior en el que se rectificaba media onda, solo se aprovechaba el semiciclo positivo con un solo diodo. Aquí se detalla los caminos que seguirá la corriente dependiendo si pertenece al semiciclo positivo, o al semiciclo negativo. Como se puede observar, independientemente de que ciclo está ocurriendo, la corriente pasa de la misma forma sobre la carga, por lo que es como si solo existiera un ciclo positivo igual a la suma del semiciclo positivo y negativo.

Se presenta la simulación utilizando el puente de diodos, mostrando las mediciones del voltaje en la carga con solamente la rectificación (para comprobar que la misma es de onda completa), y luego agregando el filtro y el regulador.