Instituto Tecnol´ogico de Costa Rica Escuela de Ingenier´ıa Electr´onica Profesores: Ing. Johan Carvajal, Ing. Adolfo Chaves, Ing. Eduardo Interiano, Ing. Francisco Navarro Laboratorio de Elementos Activos I Semestre 2007 Experimento 3: Circuitos rectificadores con y sin filtro I

Objectivo General

Al finalizar el experimento y su an´alisis, el estudiante estar´a en capacidad de explicar el funcionamiento y dimensionar los circuitos rectificadores de media onda y onda completa con filtro de condensador. II

Objetivos Espec´ıficos 1. Deducir y explicar las dependencias entre Idiodo , UsalCD , UondP P , RL , y la frecuencia en rectificadores filtro de condensador de media onda y onda completa. 2. Calcular y seleccionar los componentes adecuados para un circuito rectificador con filtro de condensador, dados los requisitos del circuito tales como la tensi´on de ondulaci´on m´axima UondP P ; la tensi´on media de salida UsalCD ; la frecuencia de operaci´on f y la corriente de carga IL o la resistencia de carga RL .

III

Cuestionario Previo 1. Simule usando PSPICE el circuito de la figura 1. 2. ¿Qu´e funci´on cumple la resistencia Rm ? ¿Qu´e representa la tensi´on Ubc en Rm ? 3. ¿Qu´e representa la tensi´on Uab ? 4. En el circuito de medici´on de la figura 1. ¿Cu´al es la tensi´on inversa m´axima del diodo D1 4.1. sin condensador, 4.2. con condensador? 5. ¿Cu´al es la diferencia entre un diodo 1N4001 y un diodo 1N4004? 6. Explique por qu´e se deben utilizar los tipos de acoples (CD o CA) en el osciloscopio que se indican expl´ıcitamente en los diferentes puntos del procedimiento. 7. Explique por qu´e debe tomarse siempre como referencia una se˜nal de fase conocida, cuando se desean obtener las se˜nales en diferentes puntos de un mismo circuito. 8. Si solamente tiene condensadores de 10 µF. ¿C´omo logra un condensador de 5 µF? ¿C´omo logra uno de 20 µF? 1

9. Cuando se mide la se˜nal Uab ¿cu´al es la referencia, la terminal a, o la terminal b? 10. ¿D´onde debe colocar la tierra del osciloscopio, si desea medir simult´aneamente las se˜nales Uab y Uent (la tensi´on del generador)? Para este caso, ¿Cu´al semiciclo de la tensi´on del generador representa la parte negativa de la forma de onda de Uent en el ORC. 11. Investigue y dibuje en su cuaderno de laboratorio los circuitos rectificadores con filtro de condensador 11.1. 11.2. 11.3. 11.4.

de media onda; de onda completa en puente; de onda completa con derivaci´on central y doblador de tensi´on.

12. ¿Qu´e significan los t´erminos media onda y onda completa en el contexto de los circuitos rectificadores? 13. ¿C´omo afecta la frecuencia de la tensi´on de entrada el funcionamiento de los diodos rectificadores convencionales? ¿Qu´e tipo de diodos se utilizan en rectificadores de alta frecuencia? 14. Revise el procedimiento del experimento y prepare tablas para recopilar los datos solicitados. IV

Materiales y Equipo

1 1 1 1 1 1

generador de se˜nales osciloscopio de rayos cat´odicos (ORC) aislador de tierras (tap´on aislador) mult´ımetro digital regleta de cables placa de montaje experimental AC-90001 o similar (“protoboard”) alambre aislado 26/24AWG, alicates de punta, cortadora de cable resistencias de 10 Ω, 1 kΩ, 2,2 kΩ, 4,7 kΩ 4 diodos rectificadores de silicio (1N4001,1N4004,ECG116) 2 condensadores de 10 µF hojas para oscilogramas V

Procedimiento 1. Es importante antes de comenzar que: • mida y anote el valor real de las resistencias empleadas, • verifique la condici´on de los diodos a emplear, • aisle la tierra del osciloscopio (use el enchufe aislador) respecto a la tierra del generador. Confirme con una medici´on de continuidad usando el mult´ımetro. 2

Primera Parte 2. Monte el circuito de medici´on de la figura 1 en la placa experimental. Use acople de CD en el ORC para tomar las formas de onda y amplitudes. Use el volt´ımetro para las mediciones de valor medio. a c b Rm D1 + 1N4004 Uent 10 Vp 100 Hz

10 Ω + C

:

RL

Usal

10 µF – d Figura 1: Circuito de Medici´ on 1.

3. Comparaci´on del circuito rectificador sin y con filtro de condensador. 3.1. Remueva el condensador del circuito de medici´on. Mantenga la resistencia de carga RL = 2,2 kΩ. 3.2. En el circuito de la figura 1 ajuste la tensi´on del generador a Uent (t) = 10 V·sen(ωt), con ω = 2πf y f = 100 Hz. 3.3. Mida y dibuje Uent (t) = Uad (t), Uab (t), Ubc (t) y Usal (t), (usando como referencia gr´afica a Uent (t)). • Siempre tome como referencia, en cada medici´on, una se˜nal de fase conocida y grafique en fase correcta. • Mida y anote el valor medio de Uab y Usal . 3.4. Coloque en el circuito C = 5 µF (observe la polaridad). Mantenga RL = 2,2 kΩ y repita como en el punto 3.3. 4. Variaci´on del condensador para RL = 2,2 kΩ = cte.; Uent (t) = 10 V · sen(ωt) con ω = cte. Mida los valores UsalCD , UondP P (acople CA) e IDp , para C = 5 µF, 10 µF, 20 µF. 5. Variaci´on de la carga para C = 10 µF = cte.; Uent (t) = 10 V · sen(ωt) con ω = cte. Aseg´ urese de mantener constante la tensi´ on de entrada. Mida los valores UsalCD , UondP P (acople CA) e IDp , para las cargas RL = 1 kΩ, 2,2 kΩ, 4,7 kΩ, ∞ Ω. 3

6. Variaci´on de la frecuencia para C = 10 µF = cte y RL = 1 kΩ = cte. Mida los valores UsalCD , UondP P (acople CA) e IDp , para la tensi´on de entrada Uent (t) = 10 V · sen(2πf t) con las frecuencias f = 50 Hz, 100 Hz, 200 Hz y 1 kHz Segunda Parte 6. Monte el circuito de medici´on de la figura 2 en la placa experimental sin el condensador. a

Rm = 10 Ω

b +

D1

D3 + C

: Uent 10 Vp D4 100 Hz

D2

RL

Usal

10 µF –

d Figura 2: Circuito de Medici´ on 2.

7. Con RL = 2,2 kΩ, ajuste la tensi´on de entrada Uent (t) a 10 Vp . 7.1. Mida y dibuje Uent (t), Uab (t), UD1 , UD2 y Usal (t). Mida y anote el valor medio de Usal , (UsalCD ). 7.2. Coloque en el circuito C = 5 µF (observe la polaridad). Mantenga RL = 2,2 kΩ y repita como en el punto 7.1. 8. Variaci´on del condensador para RL = 2,2 kΩ con ω = cte.; Uent (t) = 10 V · sen(ωt) con ω = 2πf , f = 100 Hz = cte. Mida los valores UsalCD , UondP P (acople CA) e IDp , para C = 5 µF, 10 µF, y 20 µF. 9. Variaci´on de la carga para C = 10 µF = cte.; Uent (t) = 10 V · sen(ωt) con ω = 2πf , f = 100 Hz = cte. Aseg´ urese de mantener constante la tensi´ on de entrada. Mida los valores UsalCD , UondP P (acople CA) e IDp , para RL = 1 kΩ, 2,2 kΩ, 4,7 kΩ, ∞ Ω. 10. Variaci´on de la frecuencia para C = 10 µF = cte y RL = 1 kΩ = cte. Mida los valores UsalCD , UondP P (acople CA) e IDp , para la tensi´on de entrada Uent (t) = 10 V · sen(2πf t) con las frecuencias f = 50 Hz, 100 Hz, 200 Hz y 1 kHz.

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VI

Evaluaci´ on 1. Para las mismas condiciones de capacidad del filtro de condensador y de resistencia de carga. ¿C´omo var´ıan la corriente m´axima del diodo y la tensi´on de rizado UondP P , comparando los rectificadores de media onda y onda completa? ¿Cu´al tipo de rectificador produce menos rizado y tiene menor corriente de diodo? 2. Basado en el resultado del punto anterior, ¿Cu´al es el criterio para la selecci´on de la corriente directa m´axima para los diodos usados en circuitos rectificadores con filtro de condensador: 2.1. para rectificador de media onda, 2.2. rectificador de onda completa? 3. Analice la relaci´on entre UsalCD , UondP P , RL y C a frecuencia constante para el rectificador de media onda y para el de onda completa. Para una misma corriente de carga, ¿cu´al circuito requiere menos capacidad en el filtro? 4. Suponiendo el uso de diodos r´apidos, ¿Qu´e influencia tendr´ıa el aumentar la frecuencia, sobre la capacidad del filtro de condensador requerido para la misma corriente de carga? 5. ¿Qu´e factores deben tomarse en cuenta al escoger el tipo de diodo para un circuito rectificador con filtro de condensador? Use los resultados de los puntos 3 (tensi´on), 5 (corriente) para el an´alisis. 6. Cu´al es la relaci´on de la tensi´on inversa m´axima sobre el diodo y la tensi´on de entrada m´axima en el rectificador de media onda y en el rectificador de onda completa con filtro de condensador. 7. Basado en el resultado del punto anterior, ¿Cu´al es el criterio para la selecci´on de la tensi´on inversa m´axima para los diodos usados en circuitos rectificadores con filtro de condensador: 7.1. para rectificador de media onda, 7.2. rectificador de onda completa? 8. Para un rectificador con filtro de condensador, ¿Cu´al ser´ıa un criterio para la selecci´on de la tensi´on m´axima del condensador? 9. Deduzca1 una ecuaci´on para el c´alculo aproximado del condensador de filtro, en funci´on de: 9.1. el valor medio de la tensi´on de salida deseada UsalCD ; 1

Note que deducir implica extraer la f´ ormula a partir de los datos experimentales y no simplemente buscar la ecuaci´ on en la literatura, lo cual puede hacerse solo con el fin de verificar si la deducci´ on es correcta.

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9.2. la resistencia de carga RL ; 9.3. la tensi´on de ondulaci´on m´axima UondP P permitida y el tipo (media onda, u onda completa) de rectificador. 9.4. la frecuencia de la se˜nal de entrada.

EIS/pam, 20 de febrero de 2007

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