FUENTES NO REGULADAS DE CC. Cátedra: Electrónica Analógica I

Transcripción

1 FUENTES NO REGULADAS DE CC Cátedra: Electrónica Analógica I

2 RECTIFICADOR Convierte la tensión alterna suministrada por la red en una tensión pulsada unidireccional, con valor medio no nulo. v 1 v o N 2 v o v 1 v o v 1 N 1 N 1 : N 2 N 2 N 1 : N 2 v 1 V v 1 V v 1 V t t t v o N2 V N 1 v o N2 V N 1 v o N2 V N 1 t t t

3 RECTIFICADOR En la práctica, se utilizan casi exclusivamente los montajes rectificadores de doble onda, por sus mejores características. Calidad de la tensión de salida análisis de Fourier cc (valor medio) + ca (suma infinitos términos sinusoidales) V T t V V cc ca V V t n t sin 2 n2,4... 2V cos 2 ( n 1) V T t V V cc ca 2V 4V 3 cos 4V 15 2t cos 4t...

4 FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Reducir la componente alterna en la salida del rectificador. Acción de filtrado ideal : Permitir el paso de la componente continua hacia la carga Impedir que la componente alterna llegue a la carga Análisis aplicando el principio de superposición Sólo si comportamiento lineal Transformador + Rectificador

5 FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro con inductor i L L Rectificador v e R L Z L = 0 Z L = 2 f L v e(cc) R L v e(ca) R L 2 V v e(cc) = 2 V 4 V v e(ca) = - cos (2t) - cos (4t)

6 FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro con inductor y capacitor i L L Rectificador v e R L C Mejora el funcionamiento. C contribuye a impedir que la componente ca llegue a la carga Elección de los valores de L y de C: Z C(ca) << R L Z L(ca) >> Z C (ca) (cc) (ca) i L > 0

7 FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro con capacitor Rectificador v e R L C Evita el uso de inductores Pesados y voluminosos para frecuencias de 50 / 100Hz. Análisis más complejo La evolución de corrientes y tensiones en el circuito da lugar a instantes en los que todos los diodos del rectificador no conducen (están inversamente polarizados) Comportamiento no lineal. No es posible aplicar el principio de superposición

8 FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro con capacitor Análisis Tensión de salida: exponencial y senoidal Un análisis detallado resultaría complicado Aproximación por onda triangular simplifica cálculos Considera descarga lineal del condensador (R L C>>T/2) Supone carga instantánea de C cuando los diodos conducen.

9 FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro con capacitor Análisis vs vo Vsmáx 0 /2 2 t2 t1 2+t2 t 2 Vocc 1 2π ωt ωt 1 2 Vsmáx sen ωt dωt 2πωt ωt 1 2 Vsmáx sen ωt ωt-ωt - e ωrl 1 1 C dωt V V occ smáx 1 2 π 1(ω R L 2 C)(1 - cos(ω t 1 - ω t 2 ))

10 FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA v o V SM V Sm Filtro con capacitor T / 2 VCC V rpp Análisis Supone descarga de C a corriente constante y carga instantánea. V C Q I CC T V Vrpp V CC Vsmáx - C I CC T/2 C V 2 rpp El valor de V r suele ser conocido Limitado por las especificaciones Permite calcular el valor de C Hay que tener en cuenta las tolerancias (±20%) Se define el factor de rizado como: V rpp I CC 2 f C 2 V rpp V CC f R C Vr( RMS ) FR V V 4 3 f R C L CC CC L

11 FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro con capacitor Análisis Consideraciones importantes: La tensión en la carga tiene un rizado menor cuanto mayor es la capacidad del filtro involucrado. Una mayor capacidad provoca un menor intervalo de conducción de los diodos mayores picos de corriente en ellos v 2 v 2 i D t i D t C T 1 T t C T 1 T t

12 FILTRADO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Filtro con capacitor Análisis Acerca de los picos de corriente en los diodos: Son de difícil evaluación. Suelen considerarse entre 5 y 20 veces mayores que la corriente media en la carga. Es importante comprobar que no superen la I FRM de los diodos. El instante más peligroso es la primera conexión de la fuente, ya que el condensador completamente descargado pico de corriente más elevado. Además, un menor intervalo de conducción de los diodos provoca un aumento de la corriente eficaz mayor calentamiento del trafo. Conclusión: no se debe usar un capacitor de excesivo valor para proteger los diodos. Se evita un aumento innecesario de volumen y costo. Menores problemas con la corriente en los diodos y en el transformador.

13 Fuentes no reguladas de cc Problema: Diseñar una fuente no regulada, a capacitor de entrada, cuyos datos son: Vdc : tensión continua de salida= 18V Idc : corriente continua en la carga = 2A r% : ripple o zumbido máximo permitido 5% R% : regulación por variación de la corriente de carga 30% DETERMINAR: El circuito rectificador más adecuado El capacitor de filtro (capacidad, tensión nominal de trabajo Vdc, Tolerancia %, corriente eficaz a través del capacitor) Diodos rectificadores (corriente nominal que circula a través del rectificador IFAV, corriente pico repetitiva IFRM, corriente pico inicial o de encendido IFSM, tensión de pico inversa VRRM) Transformador (Corriente eficaz a través del secundario, Tensión eficaz del secundario, Régimen de VA del secundario) 13

14 Para este problema tenemos 3 opciones de circuito : Rectificador de media onda Rectificador de onda completa con punto medio Rectificador de onda completa en puente 14

15 CIRCUITO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA 15

16 CIRCUITOS RECTIFICADORES DE ONDA COMPLETA 16

17 Elección del circuito rectificador más adecuado ½ onda Onda completa Tensión media de salida Vo máx Vo máx Vo MO VoOC 2 Tensión eficaz Vo ef MO Vo máx 2 Vo ef OC Vo máx 2 Factor de ripple: Ica ef r Icc 2 2 r MO 1 1,21 4 r 1 0,48 8 (más alterna que continua) Qué ventajas se obtienen al trabajar con un rectificador de onda completa? Con el solo hecho de agregar un diodo, se obtiene: El doble de tensión media en onda completa que en media onda Un 41% más de tensión eficaz Una mejora en el factor de ripple de 1,21 a 0,48 17

18 Elección del circuito rectificador más adecuado 18

19 COMPARACIÓN DE LAS CORRIENTES POR LOS DIODOS DE AMBOS CIRCUITOS DE ONDA COMPLETA CIRCUITO CON PUNTO MEDIO: T CORRIENTE EN CADA RAMA DEL BOBINADO SECUNDARIO Una componente de cc (valor medio no nulo) Componentes de todas las armónicas: pares e impares (las impares en fase y las pares en contrafase) 19

20 COMPARACIÓN DE LAS CORRIENTES POR LOS DIODOS DE AMBOS CIRCUITOS DE ONDA COMPLETA CIRCUITO PUENTE: T CORRIENTE EN EL BOBINADO SECUNDARIO No hay componente de cc (valor medio nulo) Las armónicas pares se anulan, sólo quedan las impares (I 1, I 3, I 5, etc) 20

21 RÉGIMEN DE POTENCIA DE LOS SECUNDARIOS S II [ VA] V ef II I ef II Potencia aparente del secundario 2V V ef II Puente ef II PtoMedio I ef II Puente 2 I ef II PtoMedio 2V I V 2 ef II Puente ef II Puente ef II 2 S 2 PtoMedio Puente S PtoMedio I ef II PtoMedio S PtoMedio 2 S 1, 41 S Puente Puente 21

22 CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE Procedimiento de diseño 1) Determine el valor de Edc y RCARGA. 2) Asuma un valor de RS (normalmente entre 1 y 10% de RCARGA) 3) Calcular RS/RCARGA. 4) Calculo de C: del gráfico de porcentaje de ripple versus RCARGAC, determine el valor de RCARGA C requerido para reducir el ripple al valor deseado y con la (RS/ RCARGA)% determinada en (3). Despejar C. 5) Determine la razón E dc /ET(MAX). 6) Determine ET(MAX) y ET(RMS) que debe ser aplicado al circuito. 7) Determine el valor máximo de voltaje que deben resistir los semiconductores. 8) Determine el valor eficaz de la corriente por los rectificadores y el capacitor. 9) Calcule la corriente pico repetitiva. 10) Decida que rectificadores va a utilizar. 11) Verifique la corriente inicial de encendido Ion dada por ET(MAX) /RS. Si el valor excede la corriente máxima permitida por el diodo, se debe aumentar el valor de RS y se debe repetir el procedimiento de diseño. 12) Diseñe un transformador y ajuste RS Recuerde que RS incluye la resistencia del diodo a corriente media, la resistencia de los devanados del transformador, etc. 22

23 CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE 1) Determine el valor de Edc y RCARGA. E dc 18V Rc Vo 18V 9 Rc 9 Io 2 A 2) Asuma un valor de R S (normalmente entre 1 y 10% de R CARGA ) R 09, S 3) Calcule R S /R CARGA. 4) Del gráfico de porcentaje de ripple versus R CARGA C, determine el valor de R CARGA C requerido para reducir el ripple al valor deseado y con la (R S /R CARGA )% determinada en (3). Calcule el valor de C. Rs 0,9 % % Rc 9 r% 5% 23

24 CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE Rs % 10 % Rc r% 5% RcC 12 24

25 CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE RcC 4) 12 Cálculo inicial de C: RcC 12 Cmín 4244 F 2 f Rc Tolerancia 20%: C 4244F / F Valor Comercial: C 5305 F 2 X 3300 F 6600 F RcC F 18, 66 18, 66 0, 8 15 Caso peor 25

26 CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE 5) Determine la razón E dc /ET (MAX). Rs % 10 % Rc Edc % 74 % E T máx RcC 15 26

27 CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE 6) Determine ET (MAX) y ET (RMS) que debe ser aplicado al circuito. Edc % 74 % E T máx Edc 18V E T máx 24. 3V 2V E T máx 25, 7V E T máx 25, 7V ET ef 18 V ET ef 18 V 2 2 7) Determine el valor máximo de tensión que deben resistir los semiconductores. VRRM = Tensión pico inversa repetitiva en los diodos (Repetitive Peak Reverse Voltaje) E 26 V V 26 V T máx RRM 27

28 CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE 8) Determine el valor eficaz de la corriente por los rectificadores y el capacitor. Utilizaremos las curvas que relacionan Ief Io D D f Rs n Rc n Rc C con % como parámetro Onda completa: n = 2 n Rc C 30 Rs 09, % % n Rc 29 Rs % 5 % n Rc Idc 2 IoD A 1A

29 CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE Rs % 5 % n Rc Ief Io D D 24. n Rc C 30 29

30 CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE 8) Determine el valor eficaz de la corriente por los rectificadores y el capacitor. Ief Io D D 24. Idc 2 Ief D 2. 4 Io D Ief D 24, A 2 2 Ief I Icc 2 I Icc CAP ef T Def 2 2 Ief 2 2, 4 2 Ief 2, 74 A CAP CAP 30

31 CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE 8) Calcule la corriente pico repetitiva. Utilizaremos las curvas que relacionan Ipk Io D D f Rs n Rc n Rc C con % como parámetro Onda completa: n = 2 n Rc C 30 Rs 09, % 100 5% n Rc 29 Rs % 5 % n Rc Idc 2 IoD A 1 A

32 CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE Rs % 5 % n Rc Ipk Io D D 65, n Rc C 30 32

33 CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE 8) Calcule la corriente pico repetitiva. Ipk Io D D 6, 5 Ipk 6, 5 1A D Ipk 65, A D Y con VRRM 26V IoD 1 A 9) Decida que rectificadores va a utilizar. Rectificador elegido:? 10) Verifique la corriente inicial de encendido Ion dada por ET(MAX)/RS. Si el valor excede la corriente máxima permitida por el diodo, se debe aumentar el valor de RS y se debe repetir el procedimiento de diseño. Rs 09, Ion ET máx 26V Rs 09, 29 A 33

34 CÁLCULO CON CURVAS DE SCHADE LA REGULACIÓN Vdc Vdc Mínima Carga Plena Carga La regulación se define como: R% 100 VdcMínima Carga Condición de máxima carga: 18V Rc 9 VoPlena Carga 18V 2A Condición de mínima carga: Rc máx Condición sin carga Vdc E 26V Mínima Carga T máx 26V 18V R% % 26V 34

35 Circuito de ensayo

36 Evaluación del ripple El factor de ripple r es la relación entre el valor eficaz de las componentes de alterna y el valor de continua en la carga, ya sea de tensión o de corriente: r Ief I dc CA Eef E dc ca Como pedíamos un ripple del 5%: Eef r E 0,05 18V 0,9 V ca dc Introduciendo un pequeño error, podríamos admitir que el ripple es una onda triangular y que cumple: Eef ca E ^ ripp 3 ^ E 3 Eef 1, 73 0,9 V 1,56 V ripp ca

37 Tensión en la carga

38 Corriente en los diodos

39 Trabajo dentro de la evaluación del curso Diseñar una fuente no regulada, a capacitor de entrada, cuyos datos son: Vdc : tensión continua de salida= 240V Idc : corriente continua en la carga = 0,4A r% : ripple o zumbido máximo permitido 5% R% : regulación por variación de la corriente de carga 25% DETERMINAR: El capacitor de filtro (capacidad, tensión nominal de trabajo Vdc, Tolerancia %, corriente eficaz a través del capacitor) Diodos rectificadores (corriente nominal que circula a través del rectificador IFAV, corriente pico repetitiva IFRM, corriente pico inicial o de encendido IFSM, tensión de pico inversa VRRM) Realizar la simulación con SPICE Fecha de entrega 24 de abril de