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1 Por: 1 Cursosindustriales.net. t. Electrotecnia Electrot Página 1

2 MODULO 1. ELECTROTECNIA. CIRCUITOS CON DIODOS Y TRANSISTORES (1ª PARTE) Fuente de alimentación Circuito rectificador de media onda Circuito rectificador de onda completa Rectificador puente monofásico Rectificador doblador de tensión de onda completa Rectificador doblador de tensión de media onda Amplificadores Clasificación de los amplificadores Modo de operación del transistor Acoplamientos Resumen CONOCIMIENTOS PRÁ CTICOS 3 LA RECTIFICACIÓN Introducción Características funcionales de los rectificadores Esta es la versión descargable del curso de electrónica de Cursosindustriales.net. Si has descargado este curso en cualquier otra página diferente de Cursosindustriales.net y te ha ocasionado algún pago, denúncialo a la dirección de correo administrador@cursosindustriales.net El reconocimiento del curso pertenece al autor del mismo y es deimos_hack quién autoriza la reproducción del mismo para uso personal, siempre que no sea cedido a terceros para beneficio del propietario y en cuyo caso deberá de dejar claro la procedencia del curso en cuestión y que en este caso, el curso procede de Cursosindustriales.net Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 2

3 Ya conoces el principio de funcionamiento de los diodos y transistores. En esta lección vamos a estudiar algunas aplicaciones prácticas de estos pequeños elementos. También vamos a estudiar la forma de acoplar distintos circuitos o etapas; los circuitos oscilantes; la forma de trabajo del transistor, como contacto, como ya lo vistes en la práctica del tema 2 de electrónica. Veremos de pasada los transistores de efecto de campo y los circuitos integrados. FUENTES DE ALIMENTACIÓN Los equipos electrónicos necesitan, inevitablemente alimentación eléctrica, generalmente continua, para funcionar. Esta alimentación continua se puede obtener sin problemas de pilas y baterías, pero cuando la energía eléctrica es importante, la alimentación del equipo se hace desde la red eléctrica de casa. Sabes que la corriente eléctrica de casa es alterna, por lo que necesitarás un circuito que convierta la corriente alterna en corriente continua. Y eso se logra con una fuente de alimentación. Repasemos un poco: La corriente continua, de intensidad constante, recorre el circuito siempre en el mismo sentido, tal como muestra la figura (A). La corriente cuya intensidad puede ser variable, pero no cambia de polaridad es la representada en (B), ya que varía la intensidad, pero no cambia de sentido, como se indica en la gráfica Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 3

4 positiva. La corriente alterna recorre el circuito tanto en un sentido como en otro. El efecto térmico que produce se compara con el efecto térmico que produce una corriente continua, lo que se llama como corriente eficaz. La forma de la onda de la figura (C), puede cambiar periódicamente, siendo una de estas formas la sinoidal. Cuando las variaciones se repiten en forma idéntica en tiempos iguales, a este espacio de tiempo se le denomina Periodo. A la cantidad de ciclos por segundo, se le dice frecuencia, cuya unidad es el ciclo por segundo o Hercios y tienen sus respectivos múltiplos: Kilohercio: 1000 ciclos / segundos ó 1000 Hz. Megahercio: ciclos / segundos ó 1000 KHz. Por último tenemos la corriente en continua o en alterna, de duración muy breve, que se repiten periódicamente en espacios de tiempo más o menos largos de reposo. Esta corriente se suele conocer como pulsos. Los pulsos pueden tener varias formas de sus picos y valles, dependiendo de la forma de sus picos, se utilizará para distinta función. La corriente alterna tiene varios valores: el valor medio, el valor eficaz y el valor máximo o de pico. Como hemos dicho, el valor medio, de una corriente variable, es el valor de la corriente continua que, en un tiempo igual, desplazará un número equivalente de electrones. El valor eficaz de una corriente alterna es el valor de la corriente continua que en un mismo tiempo desarrolla la misma potencia. El valor máximo o de pico corresponde al máximo valor que alcanza la corriente alterna en un intervalo de un periodo. Si es pico a pico se refiere a la diferencia entre el máximo positivo y el máximo negativo. CIRCUITO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA La figura anterior te muestra un circuito rectificador de media onda. También se muestra la forma de onda que se obtiene a la salida del diodo y que va a atravesar la carga. Cuando el terminal positivo del diodo le llega corriente positiva, este se polariza directamente, y circula la máxima corriente por él y la carga. Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 4

5 Esta corriente corresponde a los momentos 1 y 2 (siendo máxima en el pico y mínima en la antes de llegar a cero ( no me digas!)). Cuando cambia la polaridad, el diodo se polariza inversamente, por lo que la corriente activa es la corriente de fuga, o inversa (puntos 2 y 3). Esto se repite periódicamente. El resultado es una corriente pulsante cuyo rendimiento queda muy lejos de lo ideal para utilizar como fuente de alimentación principal. Como observas solo se aprovecha el 50 % del ciclo alterno, y teniendo en cuenta que el la corriente eléctrica tiene que vencer una fuerza de potencial (debido a la barrera de potencial), el diodo comienza a conducir cuando la tensión del diodo supera los 0,7 voltios, ó los 0,3 voltios. Se suelen utilizar diodos de cristales de Germanio para rectificar ya que el potencial que hay que vencer es de 0,3 voltios. Aún así, la tensión a consumir reduce el rendimiento del rectificador de media onda, por lo que no se suele usar, salvo para aplicaciones especiales. Para aumentar el rendimiento del rectificador se suele hacer que durante el tiempo que no conduce el diodo, la carga no está sin energía aplicada. Para ello, se suele poner en paralelo con la carga un condensador para que almacene energía en el instante de conducción del circuito, y la entregue a la carga en el instante que el diodo no conduzca. Ahora cuando el diodo conduce, por la carga circula corriente a la vez que se carga el condensador, y cuando éste se carga, toda la corriente pasa directamente por la carga. En el instante 2, el diodo pasa al corte, por lo que el condensador se descarga a través de la carga, obteniéndose un efecto similar en la carga de circulación de corriente en el semiciclo de corte del diodo. De manera que a través de la carga, casi se puede decir que circula corriente constantemente, aunque posee un porcentaje de ondulación. El índice de ondulación es la relación entre la diferencia de la máxima amplitud con respecto a la mínima y el valor medio: Ondulación %: [(V max - V min) / V med] * 100 El diodo que se utiliza debe de soportar la máxima temperatura, y la corriente máxima que se desarrollará en el circuito. Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 5

6 La tensión máxima es la que es capaz de soportar el diodo; pero no se refiere a la tensión alterna de la red, ni a la continua que entrega la fuente, sino que se refiere a la tensión inversa de pico que aparece entre el cátodo y el ánodo del diodo. Esta tensión inversa se desarrolla en el instante en el cual al ánodo ( positivo del diodo ( P ) ), le llega el valor pico negativo de la red; como el diodo no conduce, en su cátodo ( negativo del diodo ( N ) ), aparece el potencial positivo del condensador, cuyo valor es próximo al del pico positivo de red. Por tanto, entre ánodo y cátodo del diodo aparece una d.d.p. que es la suma de las 2 tensiones, la continua positiva del condensador, y el pico negativo de la alterna, que polarizan la juntura del diodo inversamente. Su valor es aproximadamente 3 veces el valor de la tensión eficaz. En el caso de la corriente alterna de 230 V de red, el diodo tiene que aguantar la tensión inversa de pico de 230 * 3 = 690 V. Otro detalle a tener en cuenta es el no superar el valor máximo de corriente que es capaz de disipar. De lo contrario, el diodo se abriría y dejaría de funcionar. Para atenuar este valor máximo se suele poner en serie con el diodo una resistencia que atenúe el valor de la intensidad, y calculando su valor por simple Ohm. En el circuito de arriba, ves que el diodo no está protegido por resistencia; esto es debido a que el circuito de alimentación se alimenta a través de un transformador, cuya resistencia interna cumple con esta función. CIRCUITO RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA Con el circuito rectificador de onda media, la salida está muy lejos de ser continua exacta. Para conseguir reducir mucho mas ese rizado, se suele utilizar un segundo diodo, para que rectifique el otro ciclo que uno no conduce. El circuito te muestra un rectificador de doble onda. Este tipo rectifica los 2 tipos de ciclos, positivos y negativos. La representación de al lado te muestra su forma de onda que entrega a la salida, de mayor rendimiento que el rectificador anterior; pero aún así es insuficiente para el uso de la fuente en circuitos complejos o delicados como los amplificadores. Si paralelo a la carga y masa, conectamos un condensador, la corriente pulsante se aplanará un poco mas; y al igual que el caso anterior, a lo mejor, es preciso conectar una resistencia en serie de protección. Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 6

7 El problema de este tipo de fuente de alimentación es que requiere de un transformador que tenga punto medio, por lo tanto entre los puntos de A y masa y B y masa existen la mitad de la alimentación que hay entre A y B. El funcionamiento es sencillo: Cuando llega el semiciclo positivo al punto A, conduce D1, ya que B es mas negativo debido a la masa. Cuando se invierte el giro alterno, el punto B pasa a ser más positivo, con lo que el diodo D2 comienza a conducir, a la vez que el diodo D1 permanece al corto. RECTIFICADOR PUENTE MONOFÁSICO Se trata de un rectificador de onda completa, pero que no necesita de punto medio en el transformador. Cuando en el punto (A) llega el semiciclo positivo, en (B), llega el negativo. En este momento, el ciclo positivo es rectificado por el diodo D2, mientras que el ciclo negativo lo hace D4. Cuando se invierte la polaridad, (en (A), el ciclo negativo y en (B) el ciclo positivo) conducen los diodos D1 y D3. Por lo tanto se consigue un mejor aprovechamiento de la onda de red y mejor rectificación. La salida es una corriente continua con un rizado, pero apta para equipos de alimentación de pequeña potencia. Para equipos de mayor potencia se suelen usar fuentes estabilizadas y que utilizan filtros para reducir el rizado. Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 7

8 RECTIFICADOR DOBLADOR DE TENSIÓN DE ONDA COMPLETA Este tipo de rectificador se utiliza cuando se necesita una tensión mayor que la que suministra el transformador o la que tiene la red. Puede ser de media onda u onda completa. En el siguiente esquema se muestra un rectificador doblador de onda completa. Durante el semiciclo positivo (terminal de arriba) conduce D1, cargándose el condensador C1. Cuando cambia el semiciclo, haciéndose negativo el mencionado, conduce D2 y se carga el condensador C2. Como C1 y C2 están en serie, la tensión de salida es la doble de la de entrada. Los condensadores deben ser de valores altos e igual, y las resistencias son los que provocan la carga de los condensadores. El inconveniente de este circuito es que no puede tener una masa común para la entrada y la salida, por lo que hay que conectar a masa solo la entrada o la salida. Para conectar a masa la entrada y la salida se recurre a otro tipo de rectificador doblador; este tipo es el que estudiaremos en el siguiente punto. Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 8

9 RECTIFICADOR DOBLADOR DE TENSIÓN DE MEDIA ONDA Este circuito si tiene punto a masa. Los condensadores no están en serie. Uno de ellos, el de mayor capacidad ( C1 ), queda en serie con la entrada y el otro, de menor capacidad ( C2 ), queda en paralelo con la salida. Cuando llega el semiciclo positivo (figura B), su valor se suma al que posee el condensador C1, por lo tanto D1queda sometido a doble tensión, cargándose C4 en función de esa tensión, la cual es doble. En base a este funcionamiento, se pueden realizar circuitos triplicadores y cuadruplicadotes de tensión. AMPLIFICADORES El rango de frecuencia con que trabaja un amplificador en las comunicaciones es muy amplio. Desde los 20 hercios hasta los 25MHz, son las denominadas frecuencias de audio. A partir de esta, se dividen en bandas; así desde los 25MHz hasta los 100MHz corresponden a la banda de ultrasonidos, y de ahí para arriba la famosa banda de radiofrecuencia. La función principal del amplificador es aumentar una señal de pequeña amplitud a su entrada y sacarla más grande. Y por eso existen varios tipos de amplificadores y varias funciones. Existen amplificadores de audio; de video; de radiofrecuencia; de luz; y hasta de magnitudes eléctricas como puede ser tensión o corriente. Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 9

10 CLASIFICACIÓN DE LOS AMPLIFICADORES Los amplificadores se suelen clasificar de muchas maneras. Por ejemplo, del siguiente modo: 1. En base al empleo de los mismos 2. En base al circuito 3. En base al modo de operación del transistor 4. En base al tipo de señal que amplifica En base a su empleo: En este caso nos referimos al tipo de señal que debe entregar. Si la señal que se precisa es de tensión, de corriente o de potencia, el amplificador tiene que ser: Amplificador de tensión Amplificador de corriente Amplificador de potencia En base al circuito: En este grupo se contempla que tipos de circuitos se van a utilizar, así como los acoplamientos entre las etapas. Se divide de la siguiente manera: Agrupamiento en cascada o serie Agrupamiento en paralelo Agrupamiento Push-Pull o simétrico Agrupamiento en simetría complementaria Agrupamiento en simetría cuasi complementaria Desde el punto de vista de los acoplamientos: Acoplamiento resistencia - capacidad Acoplamiento inductancia - capacidad Acoplamiento a transformador Acoplamiento directo Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 10

11 En base al modo de operación del transistor: De acuerdo a como se polarice el transistor, se va a conducir durante todo la totalidad de la señal de entrada o solo durante una parte de ella. Amplificador clase A Amplificador clase B Amplificador clase C Amplificador clase D En base al tipo de señal que se amplifica: La señal que se aplica al amplificador puede ser de frecuencias audibles o no. Por lo tanto hay que diseñarlo de forma adecuada, de acuerdo a la señal y su frecuencia de trabajo. Para ello existen: Amplificadores de audio Amplificadores de Radiofrecuencia Amplificadores de Radiofrecuencia sintonizada Amplificadores de video La clasificación presentada permite comprender las distintas formas de trabajar de un amplificador. MODO DE OPERACIÓN DE UN TRANSISTOR El circuito básico de un amplificador de audio tiene esta estructura de bloques: En cada etapa, de acuerdo a su función, se le hace trabajar al transistor en una determinada clase. Vamos a ver las distintas clases en las que puede trabajar un transistor. Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 11

12 NOTA: se utiliza una señal sinusoidal que se desarrolla durante los 360º que dure todo el ciclo. 180º en un semiciclo y 180º en el otro semiciclo. Un amplificador trabaja en clase A cuando se polariza el transistor de forma tal que conduce durante los 360º de la señal eléctrica. A la salida se obtiene una señal similar pero de amplitud mayor a la de entrada. Dependiendo del tipo de amplificador (emisor común generalmente), existirá un desfase de la señal de salida con respecto a la señal de entrada. El desfase es común a todas las clases. CLASE A Se dice que un amplificador trabaja en clase B cuando se polariza el transistor de manera que conduce 180º de la señal, mientras que los otros 180º está al corte. Esta forma de trabajar introduce una gran deformación de la señal de entrada, ya que a la salida se obtiene solamente medio ciclo. CLASE B En este caso al aplicar a la entrada el ciclo completo, el transistor conduce durante un tiempo menor de 180º introduciendo una deformación muy importante a la salida. CLASE C Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 12

13 Esta forma de trabajar el transistor, es intermedia entre la clase A y la B. Aplicando a la entrada del amplificador la señal sinusoidal de 360º a la salida se obtienen una señal superior a los 180º. CLASE AB ACOPLAMIENTOS Durante el estudio de como amplifica el transistor, solamente se considera una etapa. Así la carga se considera como una resistencia. En circuitos complejos se requieren varias etapas amplificadoras para poder amplificar la señal a un nivel audible; el problema que cada etapa conlleva una carga que hay que acoplar a la etapa siguiente. Según la ley de transferencia y acoplamiento eléctrico se dice que para obtener el máximo traspaso de energía de una etapa a otra con la menor perdida de señal o potencia, la salida del circuito y la entrada del segundo circuito deben ser igual o lo mas parecida posible. Existiendo varios métodos de acoplamiento, debemos tener en cuenta esta ley universal a la hora de calcular el circuito. Aquí ahora vamos a estudiar los métodos de acoplamientos que se utilizan para igualar las impedancias de salida y entrada. Acoplamiento resistencia - condensador. Este tipo de acoplamiento utiliza la resistencia de carga Rc estudiada anteriormente. La señal que se desarrolla en ella, se transfiere a la siguiente etapa a través de un condensador, el cual se calcula para que la impedancia de salida coincida con la impedancia de entrada al otro circuito. Como el condensador bloquea la tensión continua al segundo circuito, solo pasará la componente alterna (señal). Este tipo de acoplamiento es muy eficaz y ocupa poco espacio además de introducir poca deformación al hacer Rc que mantenga su valor la señal para todas las frecuencias, manteniendo la amplificación constante. El condensador no hace lo mismo; como ya has estudiado, al aumentar la frecuencia disminuye la reactancia, cosa que modifica la impedancia de salida y reduce el acoplamiento. Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 13

14 Acoplamiento Inductor - Condensador. En este caso la resistencia de carga es sustituida por una inductancia, de manera que si aumenta la frecuencia de la señal, aumenta la reactancia inductiva del inductor; pero como disminuye la reactancia del condensador, la impedancia tiende a disminuir y no modificarse, ya que el circuito inductor - condensador está pensado para trabajar a cierta frecuencia. Acoplamiento a transformador. Su utilización presenta ventajas y desventajas. Con respecto a las primeras, estas ofrecen amplificación de tensión, que los anteriores tipos de acoplamientos no tenían; además pueden equilibrar impedancias y se puede obtener la misma señal con fases opuestas. Entre sus desventajas; su costo; predisposición a captar campos magnéticos; que al ser la carga una inductancia se tengan problemas con la impedancia de entrada. Los transformadores de acoplamiento se diferencian entre sí de acuerdo a la frecuencia a la que van a trabajar; a frecuencias de audio, el transformador suele tener núcleo de hierro; y a frecuencias altas suele ser de aire (radiofrecuencia). Acoplamiento directo. No se suele utilizar para amplificar audio. Se suele utilizar como amplificadores de corriente continua teniendo el inconveniente de que no es tan estable como los sistemas anteriores. RESUMEN Fuente de alimentación: Es la etapa que se encarga de polarizar el resto de las etapas que integran el circuito eléctrico, al alimentarla para su funcionamiento. Pueden ser baterías, rectificadores, etc. Rectificador de media onda: Es el circuito que con la ayuda de un diodo deja pasar medio ciclo de C.A y el otro no lo permite. puede rectificar el ciclo positivo o el ciclo negativo. Rectificador de onda completa: Con la ayuda de dos diodos se permite dejar pasar todo el ciclo alterno de la señal para convertirlo en pulsante continua. Existen rectificadores con punto medio en el transformador, o tipo puente, o tipo doble. Rectificador doblador de tensión: Permite obtener a la salida del circuito una tensión del doble de la entrada gracias a la colocación serie de diodos y condensadores en tiempos de trabajos calculados. Si es de onda completa, no se pueden conectar a la misma masa la entrada y la salida ( produciría corto ). Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 14

15 índice de ondulación: Es la relación entre la tensión variable y su valor medio, en la tensión de alimentación. Tensión inversa de pico: Valor pico que tiene que aguantar el diodo durante el ciclo que no conduce. Filtro: Elemento capaz de reducir el rizado de la señal rectificada. Amplificador clase A, B, C: El transistor conduce durante los 360º, 180º, menos de 180º, respectivamente. Acoplamiento: Es la forma de acoplar etapas. Existen varios tipos: Acoplamiento R-C; acoplamiento I-C; y acoplamiento transformador. CONOCIMIENTOS PRÁCTICOS RECTIFICADORES Hoy en día el uso de circuitos rectificadores es imprescindible para la mayoría de los equipos de consumo. La televisión, necesita tener una tensión continua totalmente limpia para que no se produzcan ruidos en la señal del receptor; los equipos de alta fidelidad, necesitan también que se les apliquen tensiones rectificadas totalmente planas. Hoy en día, el gran número de elementos que necesitan de una rectificación totalmente plana para no introducir ruidos en el circuito. CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES Un rectificador tiene la característica principal de que rectifica la señal alterna que le llega al circuito y a su salida proporciona una señal continua pulsante que se utilizará para conseguir otras funciones específicas en el circuito alimentado. Si es verdad que la rectificación de la corriente alterna conlleva muchas consecuencias, pero en electrónica la gran mayoría de las veces nos interesa que la corriente alterna quede lo más estable posible. El problema de conseguir una corriente eléctrica totalmente rectificada tiene que ver directamente con la frecuencia de la red eléctrica. Como ya sabes, la señal alterna de la red eléctrica, es una señal de una frecuencia de 60 Hercios, y una longitud de onda de 5 millones de metros. Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 15

16 Es decir, que un ciclo alterno de 60Hz cuyo periodo es de 0, segundos, se desplaza 5000 kilómetros en sus dos alternancias. Esta ultra baja frecuencia genera que los pulsos en la red eléctrica se puedan propagar grandes distancias a través de conductores; por eso la corriente eléctrica que sale de las centrales generadoras de electricidad es alterna. Después unos transformadores reponen la energía consumida por la línea y la adaptan a la central de la ciudad para repartirla a los diversos domicilios y empresas. Y al ser de tan baja frecuencia, genera un problema en los componentes electrónicos que se polarizan con tensiones rectificadas alternas. No voy a alargarme mucho más en el tema en cuestión, porque para que entiendas el efecto que produce los pulsos eléctricos en los semiconductores, deberías de estudiar física y hacer una carrera universitaria de ingeniería en la cual, mediante formulas avanzadas, te mostrarían los efectos de la baja frecuencia en el rectificado. El proceso rectificador La rectificación se lleva a cabo mediante el transvase de energía eléctrica de los dipolos en la barrera de potencial del semiconductor en general. Cuando llega el semiciclo positivo y el rectificador está conectado en directa, la energía potencial del dipolo disminuye debido a la presión eléctrica que se crea en el interior del la juntura. El proceso se muestra en las imágenes: Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 16

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18 Como puedes ver, el proceso que te muestro en las imágenes indican el funcionamiento del diodo en un ciclo polarizado directamente. Es conveniente aclarar que el diodo solo conduce en la zona de trabajo designada al alcanzar la tensión de polarización y hasta que disminuye por debajo de la misma. Durante el ciclo negativo alterna, el diodo no conduce en ningún momento lo que reduce el rendimiento del diodo en la rectificación a un 15% por ciclo. Ahora, como por cada 0, segundos se reproduce un ciclo completo, estamos hablando de que cada 0, segundos trabajamos 0,0025 segundos. Si ahora pensamos que el diodo no va a trabajar durante un único ciclo, la forma de la corriente rectificada alterna tendrá esta forma en una gráfica: También hay que tener en cuenta que por cada sección rectificada, existe una variación de corriente en esa parcial continua: Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 18

19 Por lo tanto, al recurrir a la rectificación por diodos, se requiere que siempre existan unos filtros y reguladores que filtren y aplanen esta variación de la señal rectificada. Cursosindustriales.net. Electrotecnia Página 19