Medicion y Análisis de Componentes Circuitos Electrónicos

Transcripción

1 Liceo Industrial de Electrotecnia Ramón Barros Luco- La Cisterna profesor Claudio Pinto C Módulo 2 Medicion y Análisis de Componentes Circuitos Electrónicos Rectificación y Filtrado El proceso de rectificación está referido al efecto que produce uno, o, más diodos, del tipo rectificador, sobre la forma de una señal eléctrica alterna y también, sobre algunos de sus parámetros. Si se considera la cualidad de conmutador que posee un diodo y las condiciones que deben darse para que éste actúe como un conductor, una señal del tipo sinusoidal, que es variable en amplitud en el tiempo, es una buena alternativa para analizar la acción rectificadora de los diodos. Cuando se habla de una señal alterna es imposible dejar de asociar las variables eléctricas que ello conlleva., tales como: Amplitud Frecuencia Fase Periodo Longitud de onda. Vef Fig-2: Señal Alterna Sinusoidal En el aspecto que por el momento interesa, considérese la variable amplitud..para una señal de este tipo existen: Vef. ó VRMS: conocido como voltaje eficaz, el primero, y voltaje cuadrático medio, el segundo, Voltage Road Medium Square.. 1

2 Corresponde a una expresión matemática asociada a la amplitud máxima que alcanza la señal alterna en un semiciclo. 0,7 Vmax Vp ó Vmax.: voltaje de pico ( peak:;) ó voltaje máximo: es la máxima amplitud que alcanza la señal alterna., en un semiciclo. Vpp: voltaje pico a pico, ó peak to peak.; corresponde a los máximos niveles que alcanza la señal alterna entre el ciclo positivo y el ciclo negativo Para señal alterna simétrica senoidal se cumple que : Vpp = 2VP = 2 Vmax Vef = VRMS = 07V max = 07Vp A fin de comprender la utilidad de estas expresiones, considérese el valor de la tensión de línea, 220 Vef. cuanto es el valor peak to peak de esta señal?. Respuesta: 07Vmax = Vef. Vmax = Vef/07 = 1.41 Vef = 1.41 x 220 = 310,6 V. Vpp = 2 Vmax = 2 x 310,6 = V. Esto significa que la señal de la red domiciliaria varía desde un valor de referencia, eléctricamente cero volt, en forma ascendente hasta 310,6 volt, decrece, pasa por la referencia, continúa decreciendo hasta un valor de 310,6 volt por debajo de la referencia, para, volver a ascender hasta la referencia nuevamente.. Es importante, también, considerar algunas definiciones al respecto. Frecuencia, es el número de veces que se produce una variación completa, en el tiempo, llamada ciclo, desde el punto que se inicia hasta el punto que termina ésta. Se expresa en c/seg. ó Hz.. Ciclos por segundo ó Hertz. Período, es el tiempo que demora en cumplirse un ciclo completo. Se expresa en unidades de tiempo, seg., mseg, useg.. Longitud de onda, es la longitud, expresada en metros, que tiene un ciclo completo... Rectificación Cuando se aplica una señal alterna a un diodo este se comportará como un interruptor. 2

3 Si el nivel de referencia de dicha señal es o Volt, entonces, cuando la variación sea en sentido ascendente, el diodo quedará polarizado directo y entrará en conducción. Circula corriente por él... Interruptor cerrado. Sin embargo, cuando la variación sea en sentido negativo, ( bajo la referencia) el diodo quedará polarizado inversamente y no conducirá. Interruptor abierto.. En este momento toda la amplitud del semiciclo negativo queda aplicada completamente sobre el elemento. La Fig-3 muestra dicho fenómeno. Se observa que la señal aplicada a ánodo es una sinusoide y que la señal tomada en cátodo, es un semiciclo de ella.. A este proceso se le conoce como rectificación. El ejemplo ha sido planteado bajo una condición. Se ha conectado la señal alterna al ánodo. La pregunta que surge por inercia es qué ocurre si se conecta la señal al cátodo? La respuesta se encuentra en la Fig-3a- Se aprecia que para el semiciclo positivo el diodo queda polarizado inversamente. No conduce. Interruptor abierto. No circula corriente por él. En cambio, durante el semiciclo negativo, este se comporta como un conductor. Circula corriente por él y actúa como un interruptor cerrado. El esquema es clarificador de la forma que adopta la señal en el ánodo del elemento. Es conveniente no confundir ambos estados., en cuanto a polarización. El diodo cumple su principio de semiconductor. Para que circule corriente por un diodo rectificador es necesario que se encuentre polarizado directamente, es decir, la tensión ánodo -cátodo, debe ser igual o superior a 0,6 volt..en el ejemplo, se cumple en las dos situaciones planteadas. Fig-3: Rectificación del semiciclo Positivo Fig 3a : Rectificación del semiciclo negativo Si se hace un análisis simple de lo planteado, agregando una resistencia al esquema para cerrar el circuito, es posible obtener algunas relaciones matemáticas que ayudarán al entendimiento de lo expuesto. Para el semiciclo positivo, en que el diodo es conductor, se cumple que: Id es mayor que cero 3

4 y se cumple que V1 = Vd + Vr. si se considera Vd despreciable( 0,6 V), se tiene: *V1 = Vr.. Es decir, estando el diodo en conducción, sobre la resistencia, llamada carga eléctrica, se desarrollará una tensión igual a V1. A fin de no producir confusión en el alumno se hace necesario explicar algunas consideraciones. Según lo planteado, se trabaja con una señal alterna de valor Vpp., que se ha llamado V1.Esta se aplica al diodo. Pero el diodo responde a Vpp/2. De manera que la tensión desarrollada sobre la resistencia cuando el diodo está en conducción debe ser Vp ó Vmax. y no V1 como se plantea en la ecuación *V1 = Vr. Para el semiciclo en que el diodo no conduce se observa: Id = 0 por ley de ohm Vr = Ir R,. dado que la resistencia está en serie con diodo se cumple que: Ir = Id. como Id = 0 entonces Ir = o entonces Vr = 0 volt De donde: V1 = Vd. Fig-4: Circuito rectificador de media onda sin filtro. 4

5 Rectificación de onda completa El circuito rectificador mostrado anteriormente, llamado de rectificador de media onda, aunque tiene gran aplicación, presenta algunos inconvenientes para ser empleado en asociación con otros componentes. Por ello se introduce un cambio en la estructura eléctrica mostrada, agregando un diodo más al conjunto. Si se observa en el tiempo la onda rectificada de un diodo, se aprecia que tiene las variaciones correspondientes a medio ciclo. Es decir, el valor de tensión comienza a aumentar desde cero hasta un valor máximo, luego, decrece hasta cero nuevamente. A partir de ahí el valor de tensión se mantiene en esa condición hasta el medio ciclo siguiente. Pasado éste, se repite la situación anterior y así sucesivamente. Esto se traduce, en sentido real, en que la energía entregada a la carga, no es constante en el tiempo. Se pierde el tiempo de medio ciclo. La rectificación de onda de onda completa soluciona esto. Existen dos circuitos principales que operan como rectificadores de onda completa, que se analizarán a continuación. El primero de ellos obliga a tener una fuente de energía alterna separada en dos, o bien, dos fuentes alternas., con un punto común. En lo siguiente, la fuente V1 usada en el rectificador de media onda, se reemplaza por un transformador con punto medio. Ver figura 5. El transformador es un elemento de acción electromagnética. Consta de dos bobinas aisladas, eléctricamente, entre sí, que se enrollan alrededor de un núcleo, que, usualmente, es de hierro ó bien, ferrita. Aunque el tema es profundo y extenso, las explicaciones dadas aquí servirán de apoyo para los fines del curso, y no pretenden ahondar en él. Por ello, serán simples. El principio de funcionamiento se basa en un fenómeno bien especial y complejo, que ocurre en una bobina cuando es atravesada por una corriente Eléctricamente dicho efecto se conoce Magnetismo o Electromagnetismo Bajo la condición señalada, alrededor de cada espira,(ó vuelta) de la bobina se genera una energía en forma de campo, al que se le conoce como Campo Magnético. Este fenómeno da origen a la Inducción Magnética. 5

6 Este campo se refleja como un valor de tensión, a la cual se le conoce como, Tensión Inducida El valor del campo y, de la inducción magnética depende de distintas variables. Entre las más significativas está la corriente que circule por la bobina y la longitud ó numero de vueltas ó espiras que posea.., etc. La dirección y sentido que adquiera el campo, es función del sentido de circulación de la corriente por la bobina y del sentido de enrollado de ésta. Por otra parte, el fenómeno produce que, entre los extremos de las bobinas, exista un desfase de 180º entre las tensiones inducidas es esos puntos.(ver Fig-5). Esto debe ser considerado al momento de conectar los diodos para los fines que se persiguen, ( rectificación de onda completa). Si se conectan dos bobinas en serie, el punto de unión o central, se transforma en un punto de referencia y los extremos, quedan en desfase de 90º con respecto a él. Esto se aprovecha para producir rectificación. Las bobinas referidas, normalmente, de encuentran como parte de un transformador, según se indica en la Fig-5 220Vef Fig-5; Rectificación de onda completa con punto medio 6

7 Terminal superior 0 Terminal inferior 180 Fig-5-1: Tensiones inducidas en los extremos del bobinado secundario de un transformador. El proceso de rectificación es de fácil comprensión. Baste recordar el desfase existente entre los puntos extremos del transformador. Este indica que, cuando uno de los diodos rectificadores reciba el semiciclo positivo de la onda entregada por secundario del transformador, el otro diodo se enfrentará a una señal similar, pero, correspondiente a un semiciclo negativo. Es decir, uno de los diodos del circuito, en un instante cualquiera, se encontrará polarizado directo y el otro, polarizado inverso. Obviamente, pasado este semiciclo, la polaridad en los puntos aludidos, cambiará. Aquel diodo que estaba en conducción en el tiempo del semiciclo anterior, pasará al estado de bloqueo y el que estaba polarizado inverso, entrará en conducción. De esta forma, se logra conducción en todo instante de tiempo, eliminando el vacío que se produce en la rectificación de media onda. Por lo tanto, sin Fig-6: Rectificación D1 Fig 6-1: Rectificación D2 7

8 sin el proceso de filtrado, las formas de onda en los cátodos de los diodos, son las que se muestran en la Fig-6. Rectificación de Media Onda sin Filtro Rectificación de Media Onda con Filtro Rectificación de Onda Completa sin Filtro Rectificación de Onda Completa con Filtro Fig-6: Proceso de Rectificación en Media Onda y Onda Completa. De acuerdo a las formas de onda mostrada en la figura 6, aún el proceso de rectificación no aparece el más adecuado para ser usado en circuitos que requieren una fuente de alimentación que sea estable en el tiempo. Es decir, que sea continua. (DC). Existen variaciones en amplitud, que se solucionan con la incorporación de un condensador al circuito. Filtrado Un condensador es un elemento que está conformado de dos placas, separadas por un medio eléctrico, llamado dieléctrico, y que tiene la propiedad de acumular cargas eléctricas. Basado en esto y en que la corriente eléctrica no es más que cargas eléctricas en movimiento, (electrones), su empleo significa una solución al problema planteado. En efecto, los electrones de la corriente de conducción de los diodos, van siendo acumulados en el condensador., desde que ésta se inicia hasta el tiempo que se alcanza Vmax. A partir de ahí, la corriente decrece y el capacitor, no adquiere carga. Más bien, la pierde. Esta pérdida dura hasta que se alcance el tiempo en que el otro diodo entre en conducción, donde, nuevamente, el condensador se carga. 8

9 Este proceso perdura mientras el transformador esté conectado a la fuente de línea AC... La cantidad de electrones que pueda acumular un condensador, depende de distintas variables, como, separación entre las placas, área de las placas, material del dieléctrico, etc. Esto indica que el elemento no recibirá toda la energía que se quiera enviar. Tiene un límite de acumulación.. Entonces, qué ocurre cuando se completa?. Nada, pues se produce un equilibrio eléctrico entre la amplitud de la onda que entregan los diodos y la cantidad de carga que ha guardado el condensador. No existe diferencia de potencial entre ambos puntos eléctricos, por tanto, no circula corriente. Lo anterior tiene validez, siempre y cuando, la capacidad del condensador, expresada en Faradios, sea la suficiente para poder acumular las cargas que entregan los diodos En sentido práctico, un condensador no debe conectarse nunca a una fuente que entregue un a tensión mayor que la que es capaz de soportar. Todo lo que se ha planteado ha sido un proceso en el cual no se ha insertado la razón principal de él. Conectar una carga eléctrica. Cuando esto ocurre, se produce un efecto sobre las ondas mostradas. Cuando se inicia el momento en que el capacitor no recibe más carga,( mas allá de Vmax), la corriente de pérdida fluye por la resistencia. Este concepto es muy importante, dado que entrega la razón fundamental de todo lo tratado. La carga eléctrica recibe energía desde el condensador en el momento en que éste no se carga. Esta energía proviene de un depósito, que tiene mínimas variaciones. Si se midiera con un Vólmetro DC nos daría un valor cercano a Vmax de la onda rectificada, pues a ese nivel se carga el capacitor. Pero producto de las variaciones que se generan entre la conducción y corte de los diodos, el instrumento leerá un valor promedio próximo a 0,7Vmax... Las variaciones que aún persisten, que son una muestra de la variación de la señal alterna que entrega el transformador, se le conoce con el nombre de RIPLE. La amplitud que alcance el riple ó ruido, tiene relación directa con el valor, en Faradios, del capacitor, según se puede deducir del texto. Al respecto de l condensador, es necesario mencionar que, aunque la unidad de la capacidad es el Faradio, por ser una unidad extremadamente alta, se emplean los submúltiplos de ella, como: pf= pico faradio 10 elevado a Menos 12 faradio nf= nano faradio 10 elevado a Menos 9 faradio uf = micro faradio 10 elevado a Menos 6 faradio La Fig- 6 muestra los fenómenos descritos. 9

10 Rectificación de Onda Completa en Puente 10

11 FIG-7: Rectificador de Onda completa Tipo Puente Existe otro circuito rectificador de onda completa que evita la necesidad de un transformador con punto medio, como el anterior. Este es conocido comúnmente, como rectificador puente. Incluye, además, otra diferencia, requiere la utilización de cuatro diodos rectificadores. El principio de funcionamiento es mismo que el circuito de onda completa visto anteriormente., con pequeñas diferencias, aparte de las mencionadas. En este caso, durante cada semiciclo de la onda alterna, conducen dos, de los cuatro conectados.. En el circuito de la figura 8 se muestra una disposición en puente, donde, de acuerdo a lo anterior, en un semiciclo conducen los diodos D2 y D4. Suponga que en un instante cualquiera, la señal alterna en el extremo superior del transformador se encuentra en el semiciclo positivo. Esto polariza directo a D2. Conduce. El flujo de corriente pasa por D2, RL, D4, para retornar al extremo inferior de T y cerrar el circuito.. En el otro semiciclo, se polariza inverso D2 y D4 y la línea aparece como un circuito abierto.por lo tanto, por esa rama, no circula corriente. Sin embargo, el otro extremo ha cambiado de fase y aparece la onda en sentido positivo. Esto pone en conducción a D3. El camino que sigue la corriente es, por D3, RL, D1 y el extremo superior de T, donde se cierra el circuito. La acción del condensador es la misma que la descrita para el circuito anterior, lo mismo que la resistencia de carga, RL. Es de mencionar que este tipo de rectificador es el más usado en fuentes de alimentación y su desarrollo ha alcanzado la incorporación de los diodos en un encapsulado cerrado, con características eléctricas similares a los diodos individuales. Ello simplifica el montaje de los circuitos, reduce costos, disminuye su peso, etc, etc. 11