GUIA DIDACTICA DE ELECTRONICA N º9 1. IDENTIFICACION ASIGNATURA GRADO PERIODO I.H.S. TECNOLOGIA DECIMO SEGUNDO 6

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1 1. IDENTIFICACION ASIGNATURA GRADO PERIODO I.H.S. TECNOLOGIA DECIMO SEGUNDO 6 DOCENTE(S) DEL AREA:NILSON YEZID VERA CHALA COMPETENCIA: USO Y APROPIACION DE LA TECNOLOGIA NIVEL DE COMPETENCIA: INTERPRETATIVA SABER: SEMICONDUCTORES 2. MOTIVACION AMBIENTACIÓN - SENSIBILIZACIÓN 3. ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE El diodo LED El diodo LED (diodo emisor de luz) es un diodo contaminado de una forma especial, de forma que cuando se polariza en forma directa los electrones que se recombinan con un hueco emiten energía en forma de radiación dentro del espectro luminoso visible al pasar de un nivel de energía superior a otro inferior. Utilizando diferentes materiales de contaminación de la unión se consiguen distintas frecuencias de radiación y con ello diferentes colores.

2 El resto del funcionamiento es igual que un diodo normal, aunque su caída de tensión en polarización directa suele ser algo mayor (1,5 a 2,2 V) tomando como media un valor de 2 voltios. La corriente de excitación directa depende del tipo de diodo LED y su color, estando comprendidas entre 10mA y 50 ma. Tienen la ventaja frente a las lámparas tradicionales de su gran duración y resistencia a impactos y vibraciones, aunque su intensidad luminosa es limitada por lo que suelen utilizarse más como señalización que como fuente luminosa. Una aplicación específica son los diplays de 7 segmentos para representaciones alfanuméricas, que no son mas que 7 diodos colocados de forma especial, existiendo dos modalidades de conexión: en ánodo común y en cátodo común. Concepto de rectificación Dado que la distribución de energía se realiza por motivos técnicos y económicos en forma de corriente alterna, se plantea la necesidad de convertir dicha corriente en corriente continua mediante algún sistema sencillo y económico.

3 ALTERNA CONTINUA La misión de convertir o rectificar la corriente alterna en corriente continua necesita de un primer paso que es el de transformar la sucesión de periodos positivos y negativos de esta corriente en una corriente pulsante de una única polaridad. Esta misión es realizada por los llamados circuitos rectificadores, constituidos fundamentalmente por diodos. Más tarde mediante la aplicación de otros circuitos llamados filtros y reguladores se obtiene una tensión continua constituyendo en su totalidad lo que se conoce como fuentes de alimentación de corriente continua. Rectificador de media onda Se parte de una fuente de tensión alterna, esto es, con semiciclos de tensión positiva y negativa alternativos:

4 Se pretende aprovechar la característica de conducción en un único sentido de los diodos. Para ello conectamos una resistencia de carga R a la fuente de tensión alterna a través del diodo. En el circuito de la figura, en el momento en que los valores de tensión a la entrada son positivos, y superiores a la tensión de umbral del diodo, este se polariza directamente y, por tanto, aparece una corriente eléctrica por la carga. En el instante en que la tensión a la entrada se hace negativa, el diodo queda polarizado inversamente y la corriente se interrumpe. Por esta razón, este semiciclo no aparece a la salida. Despreciando la caída de tensión directa en el diodo, la tensión de salida tiene la forma: El valor medio de la tensión de salida toma el valor:

5 Como el diodo no comienza a conducir hasta que se superan unos 0,7 voltios, no se produce la conducción durante todo el semiperiodo. Además debido a la caída de tensión constante de 0,7 voltios durante toda la conducción, la señal de salida se parece más a la imagen siguiente: En este caso, el valor medio de la tensión de salida toma el valor: Cuando el diodo no conduce está conectado directamente a la tensión de entrada por un extremo y a través de la resistencia de carga por el otro extremo. Dado que la intensidad es nula en ese momento, la caída de tensión en la resistencia también será nula y, por tanto, la tensión inversa máxima (de pico) a la que se verá sometido el diodo toma el valor: En realidad, durante el periodo de no conducción, existe una pequeña corriente de fugas de algunos microamperios, pero que es comparativamente despreciable para la mayoría de las aplicaciones. En la figura siguiente se representa una simulación del circuito rectificador de media onda y las señales que tienen lugar en su funcionamiento:

6 Rectificadores de doble onda Este circuito denominado puente rectificador consta de cuatro diodos, que en muchos casos se encierran en un único componente compacto. En el semiciclo positivo, dos diodos se polarizan directamente, lo que provoca la circulación de una corriente por la carga en la dirección que se muestra en la figura. Por otro lado, los otros dos diodos están polarizados inversamente y no conducen. En el semiciclo negativo, los otros dos diodos comienzan a conducir por estar polarizados directamente, y dejan de hacerlo los dos primeros. La dirección de la corriente que se establece por la carga es la misma en los dos casos. En conclusión, la tensión que aparece en la carga presenta siempre la misma polaridad, y tiene la forma que se aprecia en la figura siguiente:

7 El valor medio de la tensión rectificada será el doble que con un rectificador de media onda: Si queremos tener en cuenta las caídas de tensión en los diodos, debemos considerar que en un rectificador en puente la intensidad atraviesa dos diodos en su recorrido: Cada diodo que no conduce está conectado directamente a la tensión de entrada por un extremo y a través de un diodo en conducción por el otro extremo, por lo que la tensión inversa máxima (de pico) a la que se verá sometido toma el valor: Además del rectificador de doble onda con cuatro diodos, que se denomina configuración en puente, existe otra modalidad que utiliza únicamente dos diodos, pero que necesita del auxilio de un transformador con toma intermedia.

8 Este transformador, al reducir la tensión de la red a un valor adecuado a la tensión de salida obtiene, gracias a su toma intermedia, dos tensiones alternas simétricas pero opuestas. Configurado el circuito como se aprecia en la figura siguiente, se produce la conducción de cada diodo en semiperiodos consecutivos, manteniendo, igual que en la configuración en puente, la misma polaridad en ambos semiperiodos sobre la carga. Para considerar las caídas de tensión en los diodos en el rectificador con transformador de toma intermedia tenemos que tener en cuenta que la intensidad atraviesa un solo diodo cada vez en su recorrido aunque cambie de diodo en cada semiciclo: El diodo que no conduce está conectado directamente a la tensión de entrada por un extremo y a la tensión inversa a través del otro diodo en conducción por el otro extremo, por lo que la tensión inversa máxima (de pico) a la que se verá sometido toma el valor: Filtrado Son elementos destinados a convertir la salida pulsante de un rectificador (semisenoides) en una tensión continua casi constante con el mínimo rizado residual posible.

9 El filtro más sencillo está formado por un único condensador. Durante el tiempo en que sube la tensión de entrada el condensador se carga rápidamente. Al descender la tensión de entrada el condensador se descarga a través de la resistencia de carga, pero lo hace lentamente debido a la constante de tiempo R C. Al ser mayor la tensión en el condensador que la de entrada los diodos están bloqueados durante este periodo.

10 Al superar la tensión de entrada a la del condensador en el ciclo siguiente, el diodo se polariza directamente y conduce, cargando de nuevo el condensador. Para que el condensador se descargue lentamente (curva más horizontal) la constante de tiempo R C debe ser grande, debiendo usar condensadores de gran capacidad. Esto queda de manifiesto en la fórmula que nos da el rizado o tensión residual pico a pico, que disminuye al aumentar la capacidad y que aumenta al hacerlo la intensidad solicitada por la carga (al disminuir la resistencia). La frecuencia del rizado es igual a la de la red de alimentación en el caso de rectificadores de media onda y el doble en el caso de los rectificadores de doble onda. Se suelen diseñar estos circuitos con condensadores que obtengan un rizado del 10% de la tensión de pico máxima. En este caso, la tensión media vale:

11 Otros filtros más eficaces son el filtro en "L" y el filtro en "PI". Estos mejoran la tensión de salida pero resultan más caros, voluminosos y pesados por contener bobinas. Con la aparición de los circuitos regulados su uso en pequeñas potencias se ha reducido, quedando relegados únicamente a fuentes de alimentación de gran potencia.

12 El diodo zener Si se polariza inversamente un diodo normal, apenas circula corriente, unos pocos microamperios o nanoamperios a lo sumo. Al aumentar en exceso la tensión inversa, se produce el efecto avalancha, con un aumento brusco de la corriente inversa que destruye el diodo. El diodo zener es un diodo fabricado de manera especial para trabajar en estas condiciones sin que se destruya. SÍMBOLO DEL ZENER Polarizado directamente se comporta como un diodo normal, con una caída de tensión directa de unos 0,7 V. Polarizado inversamente, prácticamente no conduce hasta llegar a la llamada tensión de zener, a la que se produce el efecto avalancha o efecto zener, con un aumento muy grande de la intensidad para pequeños aumentos de la tensión. Se fabrican diodos zener para gamas de tensiones de zener (V Z ) desde 2 hasta 200 voltios:

13 3.9 V, 4.7 V, 5.6 V, 6.8 V, 8.2 V, 10 V, 12 V... En la zona de trabajo la V Z permanece prácticamente constante para cualquier I Z. Estabilizador con zener En el caso del diodo zener interesa la característica de polarización inversa que, por comodidad, se representa de forma invertida. En la figura siguiente se representan las curvas para diodos zener de tensiones de zener de 3,9 a 12 voltios:

14 El diodo zener se utiliza para mantener estable una tensión de salida a partir de una tensión de entrada que fluctúa entre determinados valores. Como ejemplo se representa a continuación un circuito con un diodo zener de 6,8 voltios de tensión de zener para estabilizar una tensión de entrada que varía entre 10 y 12 voltios a través de una resistencia de 60 ohmios. Aplicando las leyes de Kirchof al circuito: V e = V Rs + V s = R s I z + V z I z = (V e -V z )/ R s Para V E = 10 V. Cuando I z = 0 ===> V z = V e = 10 Cuando V z = 0 ===> I z = V e /R s = 10 /60 = 0,166 A Para V E = 12 V.

15 Cuando I z = 0 ===> V z = V e = 12 Cuando V z = 0 ===> I z = V e /R s = 12 /60 = 0,200 A Como puede apreciarse, la tensión de salida apenas varía al hacerlo la de entrada. Debe procurarse no acercarse al codo de la curva y, sobretodo, no reducir la intensidad por el zener de una cierta intensidad mínima de zener, puesto que para intensidades muy bajas la tensión de zener no se mantendría y se anularía rápidamente. En el caso de los reguladores de tensión, se suele tomar una intensidad mínima de zener del 10% de la intensidad máxima por la carga. Diseño de un regulador con zener La forma más sencilla de regular la tensión de salida es mediante un diodo zener, tal como se puede apreciar en la figura siguiente, donde se ha colocado un condensador de "pequeña" capacidad para poner de manifiesto la ondulación o rizado de la tensión en el condensador en comparación con la tensión sin rizado en la resistencia de carga (compruébese para 100 microfaradios).

16 Ejemplo Se trata de diseñar la resistencia R S del circuito de la figura siguiente. La tensión a la salida del rectificador oscila de 12 a 16 voltios y la carga absorbe una intensidad máxima de 50 ma a la tensión de 8 voltios. Vmin = 12 V Vmax = 16 V Imax = 50 ma VZ = 8,2 V IZmax = 130 ma IZmin = 5 ma Utilizaremos un diodo zener de 8,2 voltios que admite una intensidad máxima de 130 ma. Como intensidad mínima para el zener tomaremos el 10% de la máxima por la carga, de forma que siempre trabaje en la zona de efecto zener y nunca deje de conducir. IZmin = 0,1 Imax = 0,1 50 = 5 ma El valor máximo de R S deberá ser tal que para la tensión mínima y la corriente de carga máxima siga circulando la corriente mínima por el zener:

17 Tomaremos el valor comercial inferior más próximo, esto es, de 68 ohmios. La máxima potencia que debe disipar esta resistencia tendrá lugar cuando la carga esté desconectada y la tensión sea máxima. En este último caso, la intensidad máxima que proporciona el rectificador pasa íntegramente por el diodo. Es necesario comprobar que puede soportarla sin destruirse. EJERCICIOS: 1. Se diseña un indicador luminoso formado por tres diodos LED formando una estrella. La alimentación será de 12 voltios y por los diodos debe circular 25 ma cuando este n encendidos, en cuyo caso su caída de tensión es de 2 voltios. Calcula el valor de una única resistencia limitadora, la potencia que disipa y la potencia total; si: Los diodos se conectan en serie. Los diodos se conectan en paralelo. 2. Mediante diodos LED de 30 ma de corriente de excitación y 1.8 V de caída de Tensión, se construye un display de 7 segmentos de cátodo común, para representar números del 0 al 9. Si la alimentación va a ser de 9 V, calcula: El valor de cada resistencia limitadora. El consumo y la potencia total. 3. Calcula el valor medio de la tensión rectificada a la salida de un rectificador de media onda para la señal de red de 240 voltios eficaces y 50 Hz de frecuencia. 4. Calcula el valor medio de la tensión rectificada a la salida de un rectificador para la señal de red de 240 voltios eficaces y 50 Hz de frecuencia aplicada mediante un transformador de relación de transformación 2:1 si : Se trata de un rectificador de media onda. Se trata de un rectificador de onda completa.

18 5. Calcula la forma de onda a la salida de un rectificador de doble onda para una señal de entrada de 12 voltios eficaces y 2000 Hz de frecuencia. 6. Calcula la tensión de rizado en un rectificador de doble onda de una red de 30 V y 50 Hz si alimenta una carga de 200 ma mediante un filtro por condensador de 400 uf y mediante otro de 2000 uf. 7. Calcula el condensador a emplear como filtro de un rectificador de doble onda para una red de 40 V de valor máximo y 50 Hz si el rizado no debe superar el 10% de la tensión de pico máximo y la resistencia de carga es de 380 Ω Cuál es la intensidad y potencia en la carga? 8. Un rectificador de doble onda con transformador de toma intermedia presenta una tensión de 20 V en el secundario del transformador ( V). Considerando una caída de tensión en los diodos de 0.7 V. Calcula la intensidad, tensión y potencia en la carga si se trata de una resistencia de 50 ohmios. Averigua la corriente por los diodos y la tensión de pico inversa. 9. Un diodo zener de 33 V actúa como regulador de tensión con una resistencia de polarización de 1000 Ω. Si la tensión de entrada varía entre 45 y 55 voltios y el circuito de salida está abierto (sin carga). Calculas las intensidades máxima y mínima que circulan por el zener. 10. Calcula las corrientes máxima y mínima por un diodo zener de 20 voltios que regula una tensión que varia entre 50 y 55 V con una resistencia de polarización de 1000 ohmios para una resistencia de carga de: 4. EVALUACION 2000 Ω Ω Ω. Leyes fundamentales de la electricidad en el análisis de circuitos de corriente continua, para la selección de los componentes requeridos y el buen funcionamiento del mismo 5. ACTIVIDADES EXTRACLASE Consultar : Constitución del transistor, identificación de terminales del transistor, comprobación del estado del transistor. 6. WEBGRAFIA y/o BIBLIOGRAFIA