LABORATORIO DE FISICA III PRACTICA 4 TRANSFROMADORES Y RECTIFICADORES

Transcripción

1 LABORATORIO DE FISICA III En la figura anteriores grafica de un lado el voltaje de entrada y del otro, el voltaje de la resistencia. A continuación se aprecia una representación del diodo cuando está polarizado directamente (voltaje positivo al ánodo). PRACTICA 4 TRANSFROMADORES Y RECTIFICADORES Objetivo. Aprender los conceptos de rectificación y filtrado de una señal de voltaje senoidal a una señal de voltaje directa. Material a utilizar. Una representación del diodo en polarización inversa (voltaje negativo al ánodo). INTRODUCCIÓN El capacitor. Es un dispositivo electrónico que cumple con las siguientes características: a. Si el voltaje aplicado al capacitor no cambia por un largo período de tiempo, entonces la corriente que pasa por él, disminuye a cero. b. Un capacitor no consume energía, sólo la almacena. c. No puede haber cambios bruscos de voltaje sobre un capacitor. El símbolo para representar un capacitor es el siguiente: Al circuito antes descrito se le conoce como rectificador de media onda. La palabra rectificar quiere decir reparar o transformar. En el primer dibujo podemos ver que efectivamente el circuito rectifica la señal de entrada, pero sólo media onda (la parte positiva de la señal de entrada). Podemos apreciar claramente que la otra media parte de la onda se pierde, es energía que se pierde debido al diseño del circuito. Se puede diseñar otro circuito cuyo objetivo es de rectificar una onda completa como lo veremos a continuación. El diodo. Es un dispositivo electrónico que se representa por el siguiente símbolo: Tiene las siguientes características: Cuando el voltaje proporcionado por la fuente de poder (en este caso una fuente oscilatoria) es positivo en el ánodo del diodo, éste se comporta como un corto circuito, es decir, el voltaje sobre él es cero y deja pasar toda la corriente hacia la resistencia (ver siguiente figura). Cuando el voltaje de la fuente es negativo sobre el ánodo del diodo, éste se comporta como un circuito abierto y el diodo adquiere todo el voltaje de la fuente y no deja pasar corriente a la resistencia. Supongamos que la fuente de voltaje V tiene forma senoidal:

2 El análisis del circuito rectificador de onda completa se completa en 2 períodos. El primero de ellos comprende desde el origen, cuando la señal de voltaje vale cero hasta el primer cruce por cero, cuando la señal es solamente positiva. En este período, los diodos 1 y 2 están polarizados directamente y los diodos 3 y 4 se polarizan inversamente de manera que se comportan como circuitos abiertos. El resultado es que los diodos 1 y 2 dejan pasar la corriente como corto circuitos y todo el potencial (voltaje) de la fuente se transfiere a la resistencia. Como se podrá ver, la corriente pasa por la resistencia de derecha a izquierda, creando un voltaje positivo en la referencia positiva de la resistencia, de manera que el voltaje en le resistencia en este período es: En el segundo período, el voltaje positivo de la fuente aparece en la referencia negativa de ésta lo que provoca que los papeles de los diodos se cambien de manera que ahora los diodos 3 y 4 están activos y los diodos 1 y 2 se comportan como circuitos abiertos. La corriente en la resistencia sigue fluyendo de derecha a izquierda, de la fuente, por el diodo 3, luego por la resistencia y al final por el diodo 4 completando el ciclo de manera que el voltaje en ella sigue siendo positivo conforme a su referencia. El voltaje en este período en la resistencia es: por lo que primero tienen que rectificar la señal proveniente del contacto eléctrico y después la filtran utilizando un capacitor en paralelo con la resistencia como se ve a continuación. Se puede discutir el funcionamiento del capacitor como sigue. El voltaje de alimentación a la resistencia (y al capacitor también ya que se encuentran conectados en paralelo) es igual el voltaje de salida del paso de rectificación. Cuando el voltaje empieza a subir de cero (punto 1, ver figura siguiente) el capacitor se empieza a cargar al valor del voltaje de la fuente. El capacitor alcanza su carga máxima en el punto 2. Cuando la fuente empieza a disminuir su valor (del punto 2 al punto 4) el capacitor descarga el voltaje almacenado hacia la resistencia, es por eso que el voltaje de la resistencia (la línea roja) en este lapso de tiempo es mayor al voltaje de la fuente, en negro. Cuando el voltaje de la fuente alcanza el punto 3, el capacitor se empieza a cargar nuevamente hasta llegar a su punto máximo en el punto 4. El proceso se repite de nuevo ya que la señal es periódica y el resultado final es una onda rectificada completamente: Esta secuencia se repite, de manera que la señal de salida (el voltaje de la resistencia) se asemeja más a un voltaje de corriente directa que de corriente alterna. A continuación vemos el voltaje de entrada en corriente alterna y el voltaje de salida, después del rectificado y filtrado. La rectificación de señales es sólo el primer paso para transformar señales de voltaje senoidales a señales de voltaje constantes o de corriente directa. La mayoría de los aparatos eléctricos en la casa utilizan un voltaje constante como se muestra en la siguiente figura:

3 PREREPORTE. I. (2 puntos) Qué es un diodo? II. (2 puntos) Qué es un transformador? Ejercicio Arma el siguiente circuito (rectificador de media onda). III. (2 puntos) Cómo funciona un transformador? Explica en términos de campos magnéticos. IV. (1 puntos) Qué tipo de voltaje de alimentación requieren los transformadores? V. (2 puntos) Grafica el voltaje Vo para el siguiente circuito si se alimenta con un voltaje constante Vi como se muestra en la figura. VI. Si la relación entre el número de vueltas y voltajes de los embobinados de un transformador se rige por la siguiente ecuación: (N1/N2) = (V1/V2) Conecta el canal 1 del osciloscopio a los extremos de la resistencia para medir su voltaje y el canal 2 en los extremos de la fuente para medir su voltaje. Enciende la fuente en forma de voltaje alterno con una amplitud de 5 V pico. Haz los ajustes necesarios en el osciloscopio para lograr ver ambas señales de voltaje. a. (5 puntos) Grafica las dos señales indicando sus valores de voltaje pico. a. (2 puntos) Qué pasará con V2 si N2 es el doble de vueltas que N1? Sugerencia: poner en función de N1, b. (2 puntos) Qué pasará con V2 si N2 tiene la mitad de vueltas que el embobinado N1? c. (2 puntos) Demuestra la relación de número de vueltas y voltajes. VII. (2 puntos) Investiga cual es el voltaje mínimo que requieren los diodos de silicio y germanio para empezar a conducir corriente. Sugerencia: buscar en libros de electrónica. VIII. En base a una señal de prueba senoidal con frecuencia de 60 Hz y amplitud máxima de 120 V, dibuje las gráficas de voltaje de salida que se obtendrían para los siguientes circuitos (especificar los cruces por cero, los valores máximo y mínimo): a. (2 puntos) Un rectificador de media onda sin filtro capacitivo. b. (2 puntos) Un rectificador de media onda con filtro capacitivo. c. (2 puntos) Un rectificador de onda completa sin filtro capacitivo. d. (2 puntos) Un rectificador de onda completa con filtro capacitivo. Cerciórate que todos los aparatos estén apagados antes de iniciar la práctica. Pon atención al instructor para conocer el funcionamiento básico de los aparatos eléctricos, también observa todas las recomendaciones que el instructor les proporcionará para el buen manejo de los aparatos. b. (4 puntos) Qué pasa con la señal de salida? 2. Agrega al circuito anterior un filtro capacitivo como se muestra en la figura. Haz las mismas conexiones que el problema pasado para efectuar las mediciones de voltaje. a. (3 puntos) Grafica las señales de salida y de entrada que se observan en el osciloscopio en el siguiente diagrama.

4 Ejercicio Implementa el siguiente circuito alimentándolo con una señal senoidal de 5 V pico de amplitud (rectificador de onda completa). b. (3 puntos) Explica el comportamiento de la segunda gráfica en términos de las propiedades del capacitor. a. (2 puntos) Conecta el canal 1 del osciloscopio a la señal de salida y el canal 2 en la señal de entrada. Grafica la señal de entrada y la señal de salida que obtengas en el osciloscopio en el siguiente diagrama. Ejercicio Toma el juego de transformadores y colócalos como se muestra en la figura (en la tabla siguiente verás los valores de número de vueltas de los transformadores que pondrás en el lado izquierdo y el derecho), alimentándolos con una señal de entrada de 5 V rms. a. (6 puntos) Las mediciones del voltaje de salida las harás con el multímetro y de acuerdo a los valores de los transformadores, ve llenando la siguiente tabla. b. (3 puntos) Explica las diferencias que encuentras entre el comportamiento de la señal de salida del problema 4 con el problema 1. N1 (lado izquierdo) N2 (lado derecho) Vi rms Vo rms N1/N2 Vo/Vi 5. Agrega al circuito anterior un capacitor en paralelo con la resistencia como se muestra en la figura. b. (3 puntos) Para que sirve un núcleo de fierro dulce en un transformador?

5 a. (4 puntos) Con el multímetro, en modo de medición de voltaje de corriente directa, mide el voltaje en la resistencia. A que valor se aproxima el voltaje? A qué se debe el cambio de valores con respecto al voltaje pico? 6. (3 puntos) Qué aplicaciones crees que tengan estos circuitos que rectifican y filtran los voltajes?