Experimento 3: Circuitos rectificadores con y sin filtro

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1 Instituto Tecnológico de Costa Rica Escuela de Ingeniería Electrónica Profesores: Ing. Johan Carvajal, Ing. Adolfo Chaves, Ing. Eduardo Interiano, Ing. Francisco Navarro Laboratorio de Elementos Activos I Semestre 2007 I Objectivo General Experimento 3: Circuitos rectificadores con y sin filtro Al finalizar el experimento y su análisis, el estudiante estará en capacidad de explicar el funcionamiento y dimensionar los circuitos rectificadores de media onda y onda completa con filtro de condensador. II Objetivos Específicos 1. Deducir y explicar las dependencias entre I diodo, U salcd, U ondpp, R L, y la frecuencia en rectificadores filtro de condensador de media onda y onda completa. III 2. Calcular y seleccionar los componentes adecuados para un circuito rectificador con filtro de condensador, dados los requisitos del circuito tales como la tensión de ondulación máxima U ondpp ; la tensión media de salida U salcd ; la frecuencia de operación f y la corriente de carga I L o la resistencia de carga R L. Cuestionario Previo 1. Simule usando PSPICE el circuito de la figura Qué función cumple la resistencia R m? Qué representa la tensión U bc en R m? 3. Qué representa la tensión U ab? 4. En el circuito de medición de la figura 1. Cuál es la tensión inversa máxima del diodo D sin condensador, 4.2. con condensador? 5. Cuál es la diferencia entre un diodo 1N4001 y un diodo 1N4004? 6. Explique por qué se deben utilizar los tipos de acoples (CD o CA) en el osciloscopio que se indican expĺıcitamente en los diferentes puntos del procedimiento. 7. Explique por qué debe tomarse siempre como referencia una señal de fase conocida, cuando se desean obtener las señales en diferentes puntos de un mismo circuito. 8. Si solamente tiene condensadores de 10 µf. Cómo logra un condensador de 5 µf? Cómo logra uno de 20µF? 1

2 IV 9. Cuando se mide la señal U ab cuál es la referencia, la terminal a, o la terminal b? 10. Dónde debe colocar la tierra del osciloscopio, si desea medir simultáneamente las señales U ab y U ent (la tensión del generador)? Para este caso, Cuál semiciclo de la tensión del generador representa la parte negativa de la forma de onda de U ent en el ORC. 11. Investigue y dibuje en su cuaderno de laboratorio los circuitos rectificadores con filtro de condensador de media onda; de onda completa en puente; de onda completa con derivación central y doblador de tensión. 12. Qué significan los términos media onda y onda completa en el contexto de los circuitos rectificadores? 13. Cómo afecta la frecuencia de la tensión de entrada el funcionamiento de los diodos rectificadores convencionales? Qué tipo de diodos se utilizan en rectificadores de alta frecuencia? 14. Revise el procedimiento del experimento y prepare tablas para recopilar los datos solicitados. Materiales y Equipo 1 generador de señales 1 osciloscopio de rayos catódicos (ORC) 1 aislador de tierras (tapón aislador) 1 multímetro digital 1 regleta de cables 1 placa de montaje experimental AC 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 10µF hojas para oscilogramas V Procedimiento 1. Es importante antes de comenzar que: mida y anote el valor real de las resistencias empleadas, verifique la condición de los diodos a emplear, aisle la tierra del osciloscopio (use el enchufe aislador) respecto a la tierra del generador. Confirme con una medición de continuidad usando el multímetro. 2

3 Primera Parte 2. Monte el circuito de medición 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 voltímetro para las mediciones de valor medio. a b c D 1 R m 1N Ω U ent 10 V p 100 Hz C 10µF R L U sal d Figura 1: Circuito de Medición Comparación del circuito rectificador sin y con filtro de condensador Remueva el condensador del circuito de medición. Mantenga la resistencia de carga R L = 2,2 kω En el circuito de la figura 1 ajuste la tensión del generador a U ent (t)=10 V sen(ωt), con ω = 2πf y f = 100 Hz Mida y dibuje U ent (t) = U ad (t), U ab (t), U bc (t) y U sal (t), (usando como referencia gráfica a U ent (t)). Siempre tome como referencia, en cada medición, una señal de fase conocida y grafique en fase correcta. Mida y anote el valor medio de U ab y U sal Coloque en el circuito C = 5µF (observe la polaridad). Mantenga R L = 2,2 kω y repita como en el punto Variación del condensador para R L = 2,2 kω = cte.; U ent (t) = 10 V sen(ωt) con ω = cte. Mida los valores U salcd, U ondpp (acople CA) e I Dp, para C = 5µF, 10µF, 20µF. 5. Variación de la carga para C = 10µF = cte.; U ent (t) = 10 V sen(ωt) con ω = cte. Asegúrese de mantener constante la tensión de entrada. Mida los valores U salcd,u ondpp (acople CA) e I Dp, para las cargas R L = 1 kω, 2,2 kω, 4,7 kω, Ω. 3

4 6. Variación de la frecuencia para C = 10µF = cte y R L = 1 kω = cte. Mida los valores U salcd,u ondpp (acople CA) e I Dp, para la tensión de entrada U ent (t) = 10 V sen(2πft) con las frecuencias f = 50 Hz, 100 Hz, 200 Hz y 1 khz Segunda Parte 6. Monte el circuito de medición de la figura 2 en la placa experimental sin el condensador. a R m =10 Ω b D 1 D 3 C R L U sal D 2 U ent 10 V p 100 Hz D 4 10µF d Figura 2: Circuito de Medición Con R L = 2,2 kω, ajuste la tensión de entrada U ent (t) a 10 V p Mida y dibuje U ent (t), U ab (t), U D1, U D2 y U sal (t). Mida y anote el valor medio de U sal, (U salcd ) Coloque en el circuito C = 5µF (observe la polaridad). Mantenga R L = 2,2 kω y repita como en el punto Variación del condensador para R L = 2,2 kω con ω = cte.; U ent (t) = 10 V sen(ωt) con ω = 2πf, f = 100 Hz = cte. Mida los valores U salcd, U ondpp (acople CA) e I Dp, para C = 5µF, 10µF, y 20µF. 9. Variación de la carga para C = 10µF = cte.; U ent (t) = 10 V sen(ωt) con ω = 2πf, f = 100 Hz = cte. Asegúrese de mantener constante la tensión de entrada. Mida los valores U salcd, U ondpp (acople CA) e I Dp, para R L = 1 kω, 2,2 kω, 4,7 kω, Ω. 10. Variación de la frecuencia para C = 10µF = cte y R L = 1 kω = cte. Mida los valores U salcd,u ondpp (acople CA) e I Dp, para la tensión de entrada U ent (t) = 10 V sen(2πft) con las frecuencias f = 50 Hz, 100 Hz, 200 Hz y 1 khz. 4

5 VI Evaluación 1. Para las mismas condiciones de capacidad del filtro de condensador y de resistencia de carga. Cómo varían la corriente máxima del diodo y la tensión de rizado U ondpp, comparando los rectificadores de media onda y onda completa? Cuál tipo de rectificador produce menos rizado y tiene menor corriente de diodo? 2. Basado en el resultado del punto anterior, Cuál es el criterio para la selección de la corriente directa máxima 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 relación entre U salcd, U ondpp, R L y C a frecuencia constante para el rectificador de media onda y para el de onda completa. Para una misma corriente de carga, cuál circuito requiere menos capacidad en el filtro? 4. Suponiendo el uso de diodos rápidos, Qué influencia tendría el aumentar la frecuencia, sobre la capacidad del filtro de condensador requerido para la misma corriente de carga? 5. Qué 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 (tensión), 5 (corriente) para el análisis. 6. Cuál es la relación de la tensión inversa máxima sobre el diodo y la tensión de entrada máxima 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, Cuál es el criterio para la selección de la tensión inversa máxima 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, Cuál sería un criterio para la selección de la tensión máxima del condensador? 9. Deduzca 1 una ecuación para el cálculo aproximado del condensador de filtro, en función de: 9.1. el valor medio de la tensión de salida deseada U salcd ; 1 Note que deducir implica extraer la fórmula a partir de los datos experimentales y no simplemente buscar la ecuación en la literatura, lo cual puede hacerse solo con el fin de verificar si la deducción es correcta. 5

6 9.2. la resistencia de carga R L ; 9.3. la tensión de ondulación máxima U ondpp permitida y el tipo (media onda, u onda completa) de rectificador la frecuencia de la señal de entrada. EIS/pam, 20 de febrero de