Objetivos generales. Objetivos específicos. Materiales y equipo. Introducción teórica CIRCUITOS RECTIFICADORES

Transcripción

1 Electrónica I. Guía 4 1 / 14 Facultad: Ingeniería. Escuela: Electrónica. Asignatura: Electrónica I. Lugar de ejecución: Fundamentos Generales, aula 3.21 (Edificio 3, 2da planta). CIRCUITOS RECTIFICADORES Objetivos generales Analizar el comportamiento de los circuitos rectificadores de onda completa, comparando su operación (de los circuitos reales) con las predicciones que proponen los modelos lineales. Emplear el equipo de laboratorio y los dispositivos electrónicos utilizando criterios técnicos de seguridad. Objetivos específicos Familiarizar al estudiante con el comportamiento de los diodos cuando se les aplica una señal alterna (AC). Observar el comportamiento del circuito Puente rectificador, utilizando los instrumentos de laboratorio. Determinar de forma experimental (puede ser de forma indirecta) los parámetros más importantes de un circuito rectificador. Materiales y equipo 1 Unidad PU-2000 con PU Osciloscopio de doble trazo. 4 diodos 1N4004 (podría ser entregados en un bloque empaquetado). 4 LEDS. 1 Resistor de 220 Ω. 1 Resistor de 470 Ω. 1 Resistor de 1 kω 1 Resistor de 10 kω 1 Capacitor de 100 uf. 2 cables de conexión para osciloscopio. 2 Cables de conexión para el multímetro. 2 Cables de conexión para el PU Introducción teórica En las mayoría de aplicaciones electrónicas una parte de los circuitos (sino la mayoría) se energizan usando corriente directa (DC), pero el suministro comercial de energía se realiza utilizando corriente

2 2 / 14 Electrónica I. Guía 4 alterna (AC), por lo que se hace necesario utilizar un circuito que transforme la señal AC en una señal que se asemeje a las de DC. El nivel de semejanza depende mucho del tipo de circuito electrónico que se espera energizar. A los circuitos que realizan esta transformación se les llama Rectificadores y están compuestos principalmente con diodo. Existen dos configuraciones fundamentales: el rectificador de media onda y el rectificador de onda completa. Para las aplicaciones que utilizan circuitos integrados es necesario añadir un filtro al proceso de rectificación para lograr la calidad que estos dispositivos requieren. La implementación del rectificador de media onda es muy simple pues solo necesita un diodo, pero la señal que se obtiene es de baja calidad (no se asemeja mucho a la DC, por lo que solo se aconseja en contadas aplicaciones. El circuito y su operación se describen en la figura 1. Figura 1. Rectificador de media onda. La señal alterna cambia continuamente de signo (la mitad del período en positivo y la otra mitad en negativo), lo que causa cambios en la polarización del diodo que oscila entre la polarización directa e inversa. Si se aplica el modelo ideal para realizar el análisis se puede observar que el modelo predice un comportamiento de interruptor que se abre y cierra permitiendo el paso de la corriente en un solo sentido, este es en si el efecto de la rectificación, tal como se muestra en la figura 2. Figura 2. Operación del rectificador de media onda.

3 Electrónica I. Guía 4 3 / 14 La implementación del rectificador de onda completa se puede realizar de varias maneras: utilizando dos diodos, lo que implica usar un transformador con derivación central, como se muestra en la figura 3a. La otra posibilidad emplea cuatro diodos y no necesita el transformador con derivación central así como se muestra en la figura 3b. (a) con derivación central (b) puente rectificador Figura 3. Rectificadores de onda completa. Al analizar la operación del puente rectificador se observa que mientras la señal se encuentre en el semi ciclo positivo los diodos D2 y D3 se encuentran polarizados en directa y los otros dos en inversa. Si se aplica el modelo ideal (los diodos operan como interruptores) permite el paso de la corriente como se muestra en la figura 4a. Al pasar al semi-ciclo negativo los diodos que se polarizan en directa son D1 y D4, es importante notar que la señal de entrada es negativo, pero en el resistor la corriente circula en el mismo sentido que en el semi-ciclo positivo, por lo que la polaridad del voltaje no cambia (ver figura 4b). (a) Semi-ciclo positivo (b) Semi-ciclo negativo Figura 4. Operación del rectificador de onda completa en puente.

4 4 / 14 Electrónica I. Guía 4 NOTA: En esta práctica se utilizarán algunos diodos LED S para mostrar la operación de los circuitos rectificadores, pero esto solo es por motivos didácticos. Osciloscopio: software PICOSCOPE-6 y adquisidor de datos 2204A El osciloscopio Picoscope, comprende dos partes que dan su funcionalidad, el Software Picoscope 6 y el adquisidor de datos Picoscope 2204A. Figura 5. Componentes del osciloscopio para PC. Acceso directo al Software del osciloscopio Figura 6. Acceso al software Picoscope. Icono de apagado de la PC Figura 7. Partes principales del software Picoscope.

5 El adquisidor de datos Picoscope 2204A posee las siguientes partes: A. Canal de entrada A B. Canal de entrada B C. Salida AWG D. LED: se enciende cuando el osciloscopio está realizando el muestreo de datos. E. Puerto USB Electrónica I. Guía 4 5 / 14 Figura 8. Adquisidor de datos Picoscope 2204A. Los osciloscopios PicoScope serie 2200A tienen conectores de osciloscopio BNC. Las entradas tienen una impedancia de 1 MΩ, de modo que son compatibles con todas las sondas de osciloscopio estándar, incluidos los tipos atenuados x10. Procedimiento PARTE I. Uso del osciloscopio: software PICOSCOPE-6 y adquisidor de datos 2204A. 1. Conecte el adquisidor de datos Picoscope 2204A a la computadora por medio del cable USB. NOTA: La computadora detectará al dispositivo y lo preparará para trabajar con él. El led rojo ubicado entre los conectores BNC del Ch-A y Ch-B se mostrará encendido. 2. Haga clic izquierdo en el icono de la esquina superior izquierda de la pantalla, luego dé clic en Desarrollo en la región gris y por último en. Lo que puede escribirse de manera abreviada como: >> Desarrollo >> NOTA: El software PicoScope detectará su osciloscopio y lo preparará para mostrar una forma de onda. El botón verde Inicio - Start (esquina inferior izquierda del software, que PicoScope está listo para realizar mediciones. ) aparecerá resaltado para indicar 3. Conecte una sonda a la salida del generador de señales (AWG) y otra al canal A del adquisidor de datos. 4. Interconecte las sondas tal como se muestra en la figura Haga clic en el botón AWG (ver figura 10), ajuste el generador una onda senoidal de 1 khz, 500 mv de amplitud y Offset de 0V, luego cierre la ventana del generador (figura 11) dando clic izquierdo sobre la x en la esquina superior derecha. 6. En la sección inferior de la pantalla ajuste el Disparo (Trigger) del osciloscopio a Auto. 7. Cambie el Volt/Div del Ch-A a ±2V. 8. Varíe el Time/Div a 200 s/div.

6 6 / 14 Electrónica I. Guía 4 Figura 9. Conexión del generador AWG al canal A del adquisidor 2204A. Ajuste automático Time / Div Volt/div Ch A Volt/div Ch B Acople Generador AC / DC AWG Ch B Figura 10. Iconos A del adquisidor 2204A. Encendido del generador Figura 11. Ventana de ajuste de los parámetros del generador AWG. Medición de señales con los cursores: 9. Ubique el cursor del mouse sobre el cuadro de color azul, debajo del icono Opciones del canal Ch-A, dé clic izquierdo y arrastre el cursor horizontal hasta que la línea punteada toque la parte superior de la señal en medición. 10. Repita el procedimiento anterior para colocar otro cursor en la parte inferior de la señal en medición.

7 Electrónica I. Guía 4 7 / 14 Opciones del canal Ch-A Medición de Período y voltaje pico a pico Cursor vertical Ubicación del segundo cursor vertical Figura 12. Ubicación de los cursores para medición de señales. 11. Ubique el cursor del mouse sobre el cuadro de color blanco, a la derecha de -2V, y desplace el cursor hasta la posición visualizada en la figura 12, cortando a la señal en el punto donde esta tiene un valor instantáneo de 0V. 12. Repita el procedimiento anterior para colocar otro cursor vertical para poder medir el período de la señal. NOTA: Observe que en la tercera columna del recuadro señalado en la figura 12 se observa el período de la señal y voltaje pico a pico de la misma. 13. Anote los valores del período y Voltaje pico a pico: Medición de señales con el menú mediciones: 14. Dé clic izquierdo en: Measurements >> Add measurement. 15. En la ventana desplegable seleccione: Pico a Pico. NOTA: La medición aparece en la parte inferior de la ventana. Figura 13. Ventana de ajuste de los parámetros del generador AWG. 16. Agregue las mediciones de: Frecuencia, Tiempo de ciclo, Promedio CC y CA RMS.

8 8 / 14 Electrónica I. Guía 4 NOTA: Observe que las señales varían continuamente debido a la resolución de adquisición del dispositivo, lo cual dificulta visualizar el valor instantáneo. 17. Presione el botón rojo Paro - Stop (esquina inferior izquierda del software, ). NOTA: Debido a que se ha pausado la captura de valores, se observan fijos los últimos valores instantáneos. 18. Anote el valor del voltaje promedio CC: Qué simboliza dicho valor? Tabla 1. Valores instantáneos de algunas variables eléctricas. 19. Ajuste el Offset del generador AWG a 250 mv. 20. Presione el botón verde Inicio Start. 21. Nuevamente detenga la captura de valores y anote el valor del voltaje promedio CC: 22. Calcule el voltaje promedio 1 de la señal visualizada en la pantalla del osciloscopio: 23. Mida y calcule las características de la Tabla 2, para los siguientes ajustes del generador AWG: Ajustes del generador AWG Mediciones y calculos Señal Amplitud (mv) Frecuencia (Hz) Offset (mv) Vprom (mv) Vrms (mv) Senoidal 500 1k 0 Senoidal 500 1k 250 Triangular k 0 Cuadrada k 0 Rampa ascendente k 300 Rampa descendente k -300 Semi-senoidal Voltaje CC Tabla 2. Valores instantáneos de algunas variables eléctricas. 24. Apague el generador (ver figura 10). 25. Desconecte la sonda de la salida del generador de señales (AWG). 26. No apague la aplicación del Picoscope ni desconecte la punta del Ch-A. 27. Conecte la otra punta al Ch-B, ya que se utilizará el osciloscopio para las mediciones. 1 Revise la página 10 de la guía 1: ELE111_G1_Uso de instrumentos

9 Electrónica I. Guía 4 9 / 14 PARTE II. Rectificador de media onda. 1. Antes de iniciar la actividad asegúrese que el entrenador PU-2000 se encuentra desactivado, además todos los controles se encuentran apagados o ajustados a su posición mínima. 2. Tome uno de los Led s que se le ha proporcionado e identifique sus terminales Ánodo (A) y Cátodo (K), verifique su correcto funcionamiento. 3. Implemente el circuito que se muestra en la figura 14. Figura 14. Rectificador de media onda utilizando Leds. 4. Usando el multímetro determine las coordenadas del punto de operación (punto Q) del LED. IDQ = VDQ = 5. En el Generador de Señales del PU-2000 ajuste el parámetro: frecuencia al mínimo. 6. En su circuito implementado sustituya la fuente DC de +5.0 V por la señal que se obtiene del borne etiquetado TTL OUTPUT, esta es una señal pulsante que oscila entre dos valores, +5.0 V y 0.0 V. Qué observa en la operación del circuito? Cómo relaciona esto con lo descrito en la introducción teórica? 7. En el borne etiquetado como OUTPUT Hi (del Generador de señales), ajuste y mida una señal cuadrada de 4.0 Voltios pico. NOTA: Para la calibración del voltaje puede usar una frecuencia aproximada de 200 Hz, pero luego ajuste a frecuencia mínima). 8. En el circuito que ha implementado sustituya la fuente de DC de +5.0V por la señal que ha ajustado. Describa sus observaciones 9. Cambie la forma de onda a triangular y seno. Describa sus observaciones 10. Sustituya el Led por el diodo 1N4004 y el resistor de 220Ω por un resistor de 1 kω. 11. Ajuste la señal senoidal de entrada a 5.0 Voltios pico y 200 Hz. 12. Aplique la señal al circuito y observe de forma simultánea la señal de entrada y la señal en el resistor R1. Para esto deberá ubicar las referencias de voltaje en el centro de la pantalla, además debe usar el acople de DC. NOTA: Seleccione un valor de VOLT/DIV de ambos canales que le muestre una imagen clara. Al cambiar VOLT/DIV del Ch-B este empezará a medir recuerde que en la figura 10 y 12 este aparece apagado por defecto. 13. Dibuje en la figura 15 las señales que observa, por medio de los ajustes del osciloscopio indique los valores máximos y mínimos de la señal. Además escriba las escalas de utilización del osciloscopio.

10 10 / 14 Electrónica I. Guía 4 Figura 15. Formas de onda en el rectificador de media onda. 14. En Picoscope 6, dé clic en el menú: Editar >> Copiar ventana completa. NOTA: Con esta acción podrá tomar una captura de toda la información contenida en la pantalla, en especial si aún se mantienen activas las mediciones realizadas en la primera parte de esta guía (Tabla 1). Recuerde que puede pausar la adquisición para que los dígitos aparezcan fijos en el momento que se tome la captura. 15. Usando el multímetro en DC, mida los voltajes de entrada, en el diodo y en el resistor. Vin = VD = VR = 16. Usando el multímetro mida el voltaje de AC en el resistor. VR = 17. Cómo interpreta estos resultados? 18. Reduzca la amplitud al mínimo, desactive el PU-2000 y desarme el circuito. PARTE III. Rectificador de onda completa (Puente rectificador). 19. En el Generador de señales ajuste en la salida OUTPUT Hi una onda cuadrada de 4.0 Voltios pico a frecuencia mínima (1 Hz). 20. Implemente el circuito que se muestra en la figura Describa sus observaciones sobre la operación del circuito: 22. Cómo relaciona esto con lo descrito en la introducción teórica?

11 Electrónica I. Guía 4 11 / 14 Figura 16. Rectificador de onda completa en Puente, utilizando Led s. 23. Desconecte el generador de señales del circuito y ajuste la señal a 7 voltios pico y 200 Hz. 24. Sustituya los Leds por diodos 1N4004 y el resistor de 220Ω por un resistor de 1 kω. 25. Reconecte el generador de señales y observe la señal de salida. NOTA: no es necesario colocar las referencias de 0V en el centro de la pantalla, pero en su dibujo indique donde las ubicó. 26. Dibuje la señal que observa en la figura 17, por medio de los ajustes del osciloscopio indique los valores máximos y mínimos de la señal. Además escriba las escalas de utilización del osciloscopio. Figura 17. Señal de salida en el puente rectificador. 27. En Picoscope 6, dé clic en el menú: Editar >> Copiar ventana completa. 28. Determine la frecuencia de la señal. F = Hz 29. Usando el multímetro determine voltaje en el resistor, tanto en DC como en AC. V R-DC = V V R-AC = V

12 12 / 14 Electrónica I. Guía Calcule los valores anteriores utilizando las expresiones matemáticas descritas en la guía Desconecte el osciloscopio y apague el PU PARTE IV. Filtro RC en circuitos rectificadores. 32. Conecte el capacitor C1 en paralelo a R1 y active el osciloscopio. De ser necesario revise la figura 16. NOTA: DEBE RESPETAR LA POLARIDAD DE LOS CAPACITORES ELECTROLITICOS. No es necesario colocar las referencias de 0V en el centro de la pantalla, pero en su dibujo indique donde las ubicó. 33. Describa sus observaciones sobre la operación del circuito: 34. Dibuje la señal que observa en la figura 18a, por medio de los ajustes del osciloscopio indique los valores máximos y mínimos de la señal. Además escriba las escalas de utilización del osciloscopio. 35. En Picoscope 6, dé clic en el menú: Editar >> Copiar ventana completa. 36. Determine la frecuencia de la señal. F = Hz. 37. Usando el multímetro determine voltaje en el resistor, tanto en DC como en AC. 38. V R-DC = V V R-AC = V 39. Cambie el acople del osciloscopio a AC y ajuste el osciloscopio hasta que tenga una imagen adecuada para medir el voltaje pico a pico, voltaje de rizo. VRpp = V 40. Dibuje la señal que observa en el osciloscopio en la figura 18b. NOTA: no es necesario colocar las referencias de 0V en el centro de la pantalla, pero en su dibujo indique donde las ubicó. 41. En Picoscope 6, dé clic en el menú: Editar >> Copiar ventana completa. 42. Cambie el acople a DC y reajuste el osciloscopio para obtener modificaciones en el voltaje promedio por efecto del cambio del voltaje de rizo. 43. Cambie el resistor R1 por 470 Ω y observe la salida en el osciloscopio: Qué nota de interesante en la medición? 44. En Picoscope 6, dé clic en el menú: Editar >> Copiar ventana completa. 45. Sustituya los resistores de carga por uno de 10.0 kω. Qué ocurrió con la señal? 46. En Picoscope 6, dé clic en el menú: Editar >> Copiar ventana completa. 47. Usando el multímetro determine voltaje en el resistor, tanto en DC como en AC. V R-DC = V V R-AC = V

13 Electrónica I. Guía 4 13 / 14 (a) DC Figura 18. Salida del Puente rectificador en acople. (b) AC 48. Apague el PU-2000, desmonte el circuito. 49. Apague el osciloscopio y la aplicación Picoscope Apague la computadora y el monitor de la misma, de ser necesario revise la figura Entregue los materiales al instructor y deje ordenado su puesto de trabajo. Investigación Complementaria 1) Investigue cuales son los parámetros cuantitativos básicos que se pueden utilizar para evaluar el desempeño de una fuente de alimentación respecto a los siguientes criterios: Calidad de la señal entregada. Solidez ante la demanda de carga. 2) Cuáles son las maneras de regular el potencial de salida de una fuente DC, ya sea de manera fija o regulable. 3) Cuáles son los criterios mínimos de seguridad eléctrica que debe poseer una fuente de voltaje. 4) Efectúe una simulación en Qucs, para obtener un porcentaje del voltaje de rizo del 5%, respecto del circuito de la figura 16 y 14. Recuerde hacer las consideraciones de los puntos: 10 y 11 para la figura y 24 para la figura 16. 5) Utilizando el PU-2200 como generador AC, ajustado a 5Vp y 150 Hz, efectúe una fuente de voltaje DC a 22 Vdc, con factor de rizo del 2%, utilizando un rectificador de onda completa tipo puente. Para una carga de 2kΩ. Deberá presentar los cálculos por escrito que fundamenten su solución.

14 14 / 14 Electrónica I. Guía 4 Análisis de Resultados 1. Tomando como base los resultados experimentales del rectificador en puente sin filtro RC, determine los valores numéricos necesarios para evaluar el desempeño de la fuente respecto a la calidad de la señal. 2. Con los resultados experimentales del rectificador con filtro RC determine los valores numéricos necesarios para evaluar el desempeño de la fuente respecto a la solidez ante la demanda de carga (variación de la corriente de salida). 3. Utilizando el modelo del voltaje constante realice un análisis matemático que le permita obtener valores equivalentes teóricos de los datos obtenidos de manera experimental. 4. Compare los datos calculados en el ítem anterior con los experimentales, verificando que tan semejantes son (porcentaje de desviación). Bibliografía Boylestad, R - Nashelsky, L, Electrónica: Teoría de Circuitos y dispositivos electrónicos, sexta edición PRENTICE HALL Savant C. - Roden M. - Carpenter G. Diseño electrónico: Circuitos y sistemas, tercera edición PRENTICE HALL