Circuitos con diodos y fuentes de alimentación.

Actividad 1: Comportamiento bรกsico de circuitos rectificadores.

Circuitos rectificadores de media onda (R.M.O)

Diodo en directo:

De este circuito se obtuvieron las siguientes formas de onda:

Formas de Onda Vi, Vo Simultรกneamente.

Además de las siguientes mediciones realizadas con el multímetro: AC 5.9V 5.9mA

Para Tensión Corriente

DC 2.86V 2.86mA

De los datos anteriores podemos calcular el factor de rizado con la siguiente formula: , así tenemos que:

Análisis de operación del circuito: Como se puede apreciar en las formas de onda de las señales de entrada y salida del circuito, este actúa suprimiendo el semiciclo negativo y dejando pasar el semiciclo positivo casi en su totalidad. Además, se evidencia que a la salida del circuito el semiciclo de la onda es un poco menor al semiciclo de la onda de entrada, esta diferencia se debe al voltaje que requiere el diodo para polarizarse y así pasar a conducir, el resto del voltaje está disponible para alimentar a la carga de 1kOhm.

Diodo en Inverso:

De este nuevo circuito se obtuvieron las siguientes formas de onda:

Formas de Onda Vi, Vo Simultáneamente.

Además de las siguientes mediciones realizadas con el multímetro: AC 5.9V 5.9mA

Para Tensión Corriente

DC -2.85V -2.85mA

De los datos anteriores podemos calcular el factor de rizado con la siguiente formula: , así tenemos que:

Análisis de operación del circuito: De nuevo, haciendo referencia a las formas de onda de entrada y salida del circuito apreciamos como esta vez se suprime el semiciclo positivo de esta última, dejando pasar casi en su totalidad el semiciclo negativo restándole solo el voltaje necesario para la polarización del diodo, el resto queda disponible para alimentar a la carga de 1kOhm.

Circuitos rectificadores de onda completa (R.O.C)

De este circuito se obtuvieron las siguientes formas de onda:

Forma de Onda de Vi.

Forma de Onda de Vo.

Nota: No se puede visualizar ambas señales al mismo tiempo ya que estas poseen tierras (GND) diferentes, así, intentar visualizarlas al mismo tiempo en el osciloscopio puede llegar a dañar tanto el circuito como el equipo de medición.

Además de las siguientes mediciones realizadas con el multímetro: Para Tensión Corriente

AC 6.42V 6.42mA

DC 5.20V 5.20mA

De los datos anteriores podemos calcular el factor de rizado con la siguiente formula: , así tenemos que:

Análisis de operación del circuito: Como podemos ver en la forma de onda de salida, el puente rectificador de onda completa tiene el efecto de “reflejar” el semiciclo negativo de la entrada respecto a la horizontal convirtiéndolo así en un semiciclo positivo adicional, pudiendo así aprovecharse el total de la onda sinusoidal a la entrada. Así, la carga está siendo alimentada por ambos semiciclos de la señal de entrada, variantes en magnitud respecto al tiempo mas no en polaridad.

Aunque no se pueden comparar directamente la señal de entrada y salida como en el caso del rectificador de media onda, los pulsos también llegan a la carga con una ligera atenuación debida al voltaje necesario para activar los 2 diodos correspondientes para que conduzcan, el resto del voltaje está disponible para alimentar a la carga.

Comparación de las diferentes configuraciones circuitales: Para el rectificador de media onda, además de las diferencias en las formas de onda resultantes de cada circuito, podemos apreciar una diferencia notable en el nivel DC que puede aportar cada configuración (con el diodo polarizado en directo o en inverso) a la carga. Si bien el voltaje y corriente AC suministrado permanece igual en ambos casos, el nivel DC si cambia en polaridad mas no en magnitud, implicando así un cambio en la dirección en que fluye la corriente en la carga.

Para el caso del rectificador de onda completa, al no suprimir ningún ciclo de la señal de entrada, se obtiene un flujo más constante de corriente DC (pulsante) hacia la carga, esto implica una mejor eficiencia y un mejor aprovechamiento de la potencia suministrada al circuito. El tener el doble del voltaje DC y un factor de rizado menor para la misma señal de entrada, respecto al rectificador de media onda corrobora lo anterior mencionado.

Actividad 2: Fuentes de Alimentación.

Fuente no regulada:

De este circuito se obtuvieron las siguientes formas de onda:

Formas de Onda Vi, Vo Simultáneamente.

Forma de Onda de Vo ampliada.

Además de las siguientes mediciones realizadas con el multímetro: Para Tensión Corriente

AC 16V 16.1mA

DC 14.87V 15mA

De los datos anteriores podemos calcular el factor de rizado con la siguiente formula: , así tenemos que:

Análisis de operación del circuito en base a las mediciones y graficas obtenidas: Una fuente no regulada está compuesta por un puente rectificador de onda completa y un capacitor electrolítico capaz de filtrar DC pulsante y convertirla en una señal de rizo.

Esto se debe a la propiedad de los capacitores de oponerse a los cambios bruscos de tensión, de modo que como vemos en la señal de entrada al circuito (salida de la etapa de filtrado) a la carga llega un nivel DC casi constante, de magnitud similar a los picos de la señal pulsante ya que el capacitor aporta la corriente necesaria para mantener ese nivel DC cuando esta última varia su magnitud en el tiempo, convirtiendo así el voltaje de alimentación de la carga en la señal de rizo antes mencionada.

Cabe mencionar que la amplitud de este rizo (que se asemeja a una señal triangular) será menor mientras mayor capacitancia tenga el capacitor de filtrado y que el voltaje que llegará a la carga será el voltaje pico de la señal de entrada menos la perdida en los diodos del rectificador de onda completa.

Fuente con regulador zener:

De este circuito se obtuvieron las siguientes formas de onda:

Formas de Onda Vs, VL Simultáneamente.

Al disminuir RL hasta que se distorsiono la forma de señal DC obtenida en la imagen anterior, se obtuvo la siguiente forma de onda para un valor de RL de 320Ω

Formas de Onda Vs, VL Simultáneamente para RL=380Ω

Además de las siguientes mediciones realizadas con el multímetro: Para Tensión Corriente

AC 13.2V 13.2mA

DC 12.42V 12.3mA

De los datos anteriores podemos calcular el factor de rizado con la siguiente formula: , así tenemos que:

Análisis de operación del circuito en base a las mediciones y graficas obtenidas: Para la fuente regulada con zener tenemos los mismos elementos de una fuente no regulada además de un elemento fijador de voltaje, el diodo zener y también una resistencia limitadora de corriente. En este caso, todos los elementos que estén en paralelo con el diodo zener tendrán un voltaje fijo igual al voltaje de ruptura de este último que en nuestro caso es de 12v. Siendo el diodo zener alimentado por el voltaje de rizo proveniente de la etapa de filtrado, a la salida tenemos un nivel DC totalmente constante para condiciones de trabajo.

La resistencia limitadora de 180Ω ha sido previamente calculada teniendo en consideración tanto la corriente que consumirá la carga en condiciones normales como la corriente mínima de funcionamiento del zener. Por ello al disminuir el valor de la carga, aumentando así la corriente consumida por esta llegamos a un punto donde perdemos la regulación zener por que la corriente se desvía casi en su totalidad hacia la carga y no tenemos la corriente mínima de funcionamiento para el diodo zener.

Fuente con regulador LM7812:

De este circuito se obtuvieron las siguientes formas de onda:

Formas de Onda Vs, VL Simultáneamente.

Además de las siguientes mediciones realizadas con el multímetro: Para Tensión Corriente

AC 12.63V 12.6mA

DC 12.14V 12.1mA

De los datos anteriores podemos calcular el factor de rizado con la siguiente formula: , así tenemos que:

Análisis de operación del circuito en base a las mediciones y graficas obtenidas: Al igual que en el caso anterior, la primera etapa del circuito consiste de un puente de diodos el cual se emplea para rectificar la onda de entrada, luego está el capacitor que filtra la señal de entrada. Posteriormente se encuentra el regulador LM7812 el cual es nuestro elemento de regulación de voltaje en lugar del diodo zener.

Su función fijar la salida de la fuente a un valor específico, en este caso 12.14 voltios, el cual está dentro de los parámetros especificados por el fabricante. Por último, se encuentra la resistencia de carga y un led con su resistencia de protección.

Como se puede observar en la gráfica obtenida, a la salida tenemos un voltaje constante DC de 12.14v sin ruido ni variaciones de ningún tipo mientras el regulador es alimentado por un nivel DC superior y con presencia de rizo. Además, se comprobó que el integrado estuviese en una temperatura de trabajo adecuada.

Comparación de implementadas:

las

diferentes

configuraciones

circuitales

de

las

fuentes

De las anteriores experiencias experimentales con las fuentes de alimentación podemos apreciar la notable diferencia al usar o no elementos de regulación de voltaje.

Así para la fuente no regulada solo basta que a la salida del transformador se encuentre un voltaje RMS ligeramente superior al voltaje DC de alimentación de la carga, mientras que para las fuentes con elementos reguladores se necesita que a la entrada exista un voltaje RMS entre 2 y 3 voltios superior al que se quiere regular para alimentar a la carga, esto debido al consumo de cada componente de la fuente para funcionar como un todo. Mientras más compleja (mas etapas y componentes) sea esta, habrá más caídas de tensión que considerar al momento del diseño.

Notamos como también a medida que mejoramos el elemento regulador, se obtiene una fuente más eficiente y estable, sobre todo al momento de conectar cargas con baja impedancia de entrada, las cuales exigirán altos valores de corriente que llevarán a la fuente a trabajar en valores límite. Mientras que para estos casos extremos una fuente con regulador zener pierde su regulación una fuente con un integrado LM7812 produce más calor mientras mantiene su nivel DC siendo más confiable este último, aunque no exento de daños por ser forzado a trabajar en este tipo de condiciones.

Fuente Variable:

De la actividad anterior se obtuvo la siguiente tabla de valores teóricos y experimentales: Vo Practico 2.49V 6.45V 11.70V 16.99V 19.70V 19.6V

Vo Teórico 2.52V 6.55V 11.86V 17.17V 22.48V 27.79V

R1 240Ω 1000Ω 2000Ω 3000Ω 4000Ω 5000Ω

Donde cada valor teórico fue calculado de la siguiente manera: Vout = [Vref *(1 + R1/R2)] + (iadj*R1), donde Vref = 1.25 V; iadj=100μA.

Así tenemos: 

Para R1=240Ω Vout = [1.25V*(1+ (240Ω/240Ω))] + (100µA*240Ω) = 2.52V



Para R1=1kΩ Vout = [1.25V*(1+ (1kΩ/240Ω))] + (100µA*1kΩ) = 6.55V



Para R1=2kΩ Vout = [1.25V*(1+ (2kΩ/240Ω))] + (100µA*2kΩ) = 11.86V



Para R1=3kΩ Vout = [1.25V*(1+ (3kΩ/240Ω))] + (100µA*3kΩ) = 17.17V



Para R1=4kΩ Vout = [1.25V*(1+ (4kΩ/240Ω))] + (100µA*4kΩ) = 22.48V



Para R1=5kΩ Vout = [1.25V*(1+ (5kΩ/240Ω))] + (100µA*5kΩ) = 27.79V

RP1 0 760Ω 1760Ω 2760Ω 3760Ω 4760Ω

De los anteriores cálculos y valores experimentales, podemos construir los siguientes gráficos.

Nota: El abrupto cambio de comportamiento en los valores experimentales al acercarnos a los 20V se debe a que el circuito que alimentaba al regulador LM317 entregaba un máximo de 21V así que aun cuando se ajustaba R1 para una salida de 22V o más la fuente no podía entregar esos voltajes a la salida.

Análisis de operación del circuito: El circuito consta de dos capacitores, C1 de 0.1 µf que tiene por finalidad reducir la sensibilidad a la impedancia de entrada del circuito, y C2 de 10µf que previene que el rizo de la onda de entrada sea amplificado a medida que aumenta el voltaje de salida, es decir, C2 se comportará como un cable a tierra para cualquier componente AC a la salida del regulador y por tanto ello es una etapa de filtrado.

Por otra parte, el integrado LM317 está diseñado de tal manera que entre los pines de ajuste (adj) y salida (Vout) el voltaje permanece en 1.25 V de manera constante, por tanto, el voltaje en la resistencia R2 también será de 1.25 V, luego el voltaje de salida será el voltaje en R1 más el voltaje en R2, pero este último es fijo, por lo que la variación será producida por la resistencia R1 la cual está constituida por un potenciómetro de 5KΩ. De esta manera, a media de que disminuye o aumenta el valor de R1, también lo hace directamente proporcional el voltaje de salida.

Comparación entre fuente fija y variable: La gran diferencia entre ambas fuentes se encuentra en el voltaje a la salida de las mismas. La fuente variable entrega un voltaje de salida que es modificable respecto a un cierto rango de valores dependiendo del integrado que se emplee, mientras que la fuente fija se diseña pensando en un voltaje de salida constante e invariable. Así mismo, con las fuentes fijas se puede lograr un voltaje más preciso en la salida que con la fuente variable. No obstante, ambas fuentes tienen algo en común, estas poseen una etapa de filtrado para garantizar que el voltaje de salida sea lo más lineal posible.

Actividad 3: Circuitos conformadores con diodos.

Circuito limitador de dos niveles:

Circuito del cual obtuvimos las siguientes formas de onda:

Formas de Onda de Vi, Vo Simultáneamente (VB1=5v, VB2=5v)

Formas de Onda de Vi, Vo Simultáneamente (VB1=1v, VB2=5v)

(VB1=5v, VB2=1v)

Análisis de operación del circuito en base a las mediciones y graficas obtenidas: Conforme se cambian los valores de Vb1 y Vb2 obtenemos una señal de salida cortada, es decir, para un cierto nivel se impide el paso de la señal de entrada, cuando Vb1 es igual a Vb2, el corte es simétrico.

Independientemente de los valores de las mismas, este efecto se debe a la acción de los diodos. Así podemos tener salidas que son simétricas o que no lo son, dependiendo de los valores que se le den a Vb1 y Vb2.

Circuitos sujetadores:

Las formas de onda obtenidas de este circuito son las siguientes:

Formas de Onda de Vi (Inferior) y Vo (Superior) Simultรกneamente para Vb=1V.

Formas de Onda de Vi y Vo (Superpuestas) Simultรกneamente para Vb=5V

Para este circuito se calculó el capacitor de la siguiente manera:

La señal de entrada del circuito tiene un valor de 5Vp y una frecuencia de 1kHz.

=> Luego,

=> Así, el condensador usado fue una de 220µF

Análisis del funcionamiento del circuito: Como podemos ver en las gráficas de salida del circuito, se aprecia el desplazamiento que sufre la señal de entrada Vi por acción del circuito, al variar el valor de Vb este desplazamiento también varía, no obstante, cuando Vb llega a los 5V la onda vuelve a su nivel dc inicial, puesto a que la configuración del circuito nos dice que subiremos un voltaje negativo la señal, es decir, la bajaremos a medida que aumentemos el valor de Vb.

Conclusiones generales de la práctica Al observar los distintos tipos de fuentes de voltaje DC que se pueden construir es fácil concluir lo siguiente: independientemente del tipo de fuente que sea (regulada, no regulada o variable) toda fuente debe tener una etapa de transformación realizada por un transformador, luego otra de rectificación y otra de filtrado realizada por condensadores.

Posteriormente, al momento de elegir usar o no una etapa de regulación irá en función de las necesidades eléctricas de la carga que deseemos alimentar. Podemos afirmar que una fuente regulada es mucho más eficiente que una no regulada y que dependiendo del tipo de dispositivo regulador que se emplee esta fuente será más confiable.

Asimismo, en esta práctica se observaron las distintas aplicaciones de los diodos, que si bien se pueden usar para rectificar ondas (parte importante de una fuente) también cumple otras funciones en los circuitos, en el caso de los recortadores estos son utilices si se quiere que la señal de entrada no se exceda de un determinado valor o si se requiere que esta tenga un componente DC adicional.

Pos laboratorio:

Explique por actividad el aprendizaje que obtuvo en un breve resumen.

Actividad 1: Uno de los usos más comunes para los diodos es como rectificador. Podemos encontrar 2 configuraciones para esto; el rectificador de media onda y el de onda completa. Mientras que en el rectificador de media onda suprimimos uno de los 2 semiciclos que conforman la onda de entrada según como polaricemos el diodo, en el rectificador de onda completa se aprovechan ambos semiciclos convirtiendo la parte negativa de la señal en otro semiciclo positivo que también alimentara a la carga. Este uso de todo el periodo de la onda de entrada hace que el rectificador de onda completa sea más eficiente en términos de potencia al entregar más corriente a la carga para la misma corriente de entrada que el rectificador de media onda, por ello es una parte fundamental de cualquier fuente de alimentación.

Actividad 2: Como se mencionó anteriormente, una de las partes más importantes de una fuente de alimentación es el rectificador de onda completa además de por supuesto el transformador encargado de disminuir el valor del voltaje de la red a uno más manejable. Luego, la forma en que aprovechemos ese voltaje rectificado nos da varios tipos de fuente.

Comenzando por la no regulada basta un simple capacitor de filtrado que aportara la energía necesaria para convertir un voltaje rectificado en uno de rizo, de forma similar a una onda triangular, de amplitud pico a pico muy pequeña y desplazada un nivel DC que justamente es el deseado para alimentar a la carga. Este capacitor junto a su resistencia de descarga es conocido como etapa de filtrado en las fuentes de alimentación y basta que a la salida del transformador tengamos un voltaje poco más elevado del nivel DC deseado.

Si deseamos una fuente de alimentación mucho más exacta, confiable y con menos ruido además de que sea segura ante equipos electrónicos que sean susceptibles a cualquier componente AC no deseada podemos añadir una etapa de regulación a nuestra fuente, ya sea con un diodo Zener o con algún regulador integrado fijo o variable. Teniendo en cuenta que estos últimos son los más fiables y eficientes tal y como pudimos comprobar con el criterio del factor de rizado, donde en la fuente regulada con el circuito integrado LM7812 es menor comparándolo con una fuente regulada por Zener. Una fuente variable con circuito integrado LM317 es muy útil

siempre y cuando se alimente con un voltaje adecuado para el voltaje de salida que deseamos.

Actividad 3: Si bien podemos emplear diodos para modificar una señal de entrada, ya sea suprimiendo uno de sus semiciclos o cambiando su polaridad, no son las únicas modificaciones que podemos hacer con los mismos.

Según la configuración de los diodos en el circuito podemos tener al menos 2 tipos más de modificación, una que consiste en eliminar solo parte de los semiciclos conocida como recortador, donde a un determinado voltaje fijado por una fuente DC causaremos un corte horizontal en la señal de entrada, variando este nivel DC podemos eliminar toda aquella parte de la onda que esté por encima o debajo de este.

Otro tipo de modificación menos agresiva respecto a la onda de entrada, es la obtenida con el circuito sujetador, el cual solo modifica la señal de entrada subiéndola o bajándola un nivel DC, pero sin alterar de ninguna manera su forma. Este nivel a subir o bajar estará dado por una fuente DC y se desplazará tantos voltios como el valor que esta tenga y la dirección del desplazamiento será dictada por la dirección del diodo, específicamente hacia donde apunte su cátodo.

¿Cómo detectar fallas en las fuentes de alimentación básicas? Y como corregirlas.

Toda fuente de alimentación cuenta con al menos las siguientes etapas: transformación, rectificación, filtrado, regulación y por supuesto la carga a alimentar.

Siguiendo este esquema para detectar fallas en una fuente de alimentación lo recomendable es comprobar el funcionamiento de cada una de estas, así procederemos de la siguiente manera.

Para la etapa de transformación, nos aseguraremos que el transformador este correctamente alimentado y que todas sus conexiones estén en buen estado, comprobaremos además que los devanados del mismo tengan continuidad y si no tiene señales de haber sufrido un corto circuito podemos pasar a alimentarlo con el voltaje de red y ver si tenemos voltaje a su salida, para todos estos ensayos se requiere que este desconectado del resto de la circuitería.

En el caso de la etapa de rectificación podemos comprobar con un multímetro el estado del puente o de los 4 diodos dispuestos para ello, en caso de encontrar alguno en mal estado debe reemplazarse el diodo afectado o el puente rectificador completo.

En la etapa de filtrado debemos fijarnos en el estado del condensador y de su resistencia de descarga, fácilmente podemos notar problemas en esta etapa viendo si el condensador presenta indicios de haber derramado su dieléctrico, físicamente se vería abultado o incluso con su estructura rota. Para la resistencia de descarga podemos usar un multímetro y comprobar que no esté en cortocircuito.

Ya para la etapa de regulación la manera más fácil de comprobar su funcionamiento es con el uso de un osciloscopio, pues, aunque tomemos medidas con el multímetro solo el osciloscopio es capaz de mostrarnos la forma de las ondas que tenemos a la salida de esta etapa y así diagnosticar con más precisión. Si vemos un nivel DC con mucho ruido, como una línea muy gruesa a la salida del elemento regulador o sin forma de señal DC pura, es decir, totalmente constante, podemos considerar que esta etapa tiene daños.

Reemplazar el elemento de regulación para comprobar si luego de esto la fuente ya trabaja en sus parámetros normales es la forma de corregir las fallas a este nivel, pues no se pueden efectuar reparaciones en estos elementos. Por supuesto esto debe hacerse luego de haber comprobado toda la circuitería alrededor de estos ya que alguna falla proveniente de otra parte del circuito puede llegar a dañar el reemplazo de dicho elemento de regulación.

De manera general el diagnóstico para una fuente básica incluye comprobar que todos los elementos estén correctamente interconectados, que no haya cortocircuitos entre los mismos en puntos donde no debería haber conexión entre ellos.

Comprobar el estado de todos los capacitores del circuito viendo si están o no abultados y que estos no estén en corto circuito es una buena forma de descartar fallas comunes

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