PD3 Circuitos Rectificadores

eLab, Laboratorio Remoto de Electrónica ITESM, Depto. de Ingeniería Eléctrica

- 1 -

PRÁCTICA PD3

CIRCUITOS RECTIFICADORES

OBJETIVOS

• Mostrar la aplicación de diodos de tipo rectificador en circuitos rectificadores de media onda y onda completa.

• Analizar teóricamente y de forma experimental el funcionamiento de los circuitos rectificadores anteriormente mencionados.

• Realizar mediciones sobre circuitos rectificadores y comparar los resultados derivados de estas acciones con los obtenidos mediante análisis teórico.

1.1 INTRODUCCIÓN

Una aplicación importante de los diodos en los circuitos electrónicos es la conversión de un voltaje alterno (CA) en uno que esta limitado a una polaridad (CD), a este proceso se le conoce como rectificación. Un ejemplo en donde se aplica la rectificación son las fuentes de poder de CD, las cuales se utilizan para alimentar equipo electrónico. El diodo es útil para esta función debido a sus características no lineales, esto significa que el diodo, en polarización directa, puede conducir corriente en una dirección, pero al polarizarse inversamente, la corriente de conducción es prácticamente cero. El proceso de rectificación se clasifica como de media onda o de onda completa, ambos procesos se ilustran en la Figura 1.

)(tvo

t

Vs

T 2T

Voltaje rectificado de media onda

. . .

0

Circuito rectificador+

-

)(tvs

+

-

)(tvo

)(tvs

t

Vs

-Vs

T 2T

Voltaje de CA

Entrada

0)(tvo

t

Vs

T 2T

Voltaje rectificado de onda completa

. . .

0

Salida

)(tvo

t

Vs

T 2T


. . .

0

)(tvo

t

Vs

T 2T


. . .

0

Circuito rectificador+

-

)(tvs

+

-

)(tvs

+

-

)(tvo

)(tvs

t

Vs

-Vs

T 2T

Voltaje de CA

)(tvs

t

Vs

-Vs

T 2T

Voltaje de CA

Entrada

0)(tvo

t

Vs

T 2T


. . .

0

)(tvo

t

Vs

T 2T


. . .

0

Salida

Figura 1 Diagrama a bloques que ilustra el proceso de rectificación.

Rectificación de media onda.

Para convertir una señal de voltaje de AC en una señal de voltaje de CD se utiliza un simple diodo de tipo rectificador. Esta aplicación se ilustra en la Figura 2, la cual representa un circuito rectificador de media onda.

PD3 – Circuitos Rectificadores

- 2 -

RLsviv

-

+

-

ovRLsviv

-

+

-

+

-

ov

Figura 2. Circuito rectificador de media onda

La entrada del circuito rectificador consta normalmente de un transformador de potencia, en el cual la entrada es una señal de voltaje de CA y a la salida entrega un voltaje con la misma fase, polaridad y forma, pero de diferente magnitud. El devanado primario conectado a la fuente de CA de 120 V (rms) tiene N1 espiras y el devanado secundario tiene N2 espiras. El valor del voltaje de salida del transformador es dado por: )/(120 12 NNvs = = 120/N Volts (rms). La relación de vueltas del transformador (N2/N1), designada comúnmente por (N), en este caso, se diseña para “reducir” el voltaje de la línea de entrada hasta un valor que producirá un voltaje de salida de CD particular del rectificador. Cuando se aplica un voltaje de entrada positivo, 0>sv , el diodo ideal se polariza directamente, de tal forma que puede ser reemplazado por un corto circuito. Bajo esta condición el voltaje de salida presente en el resistor será igual al voltaje aplicado al circuito, es decir: svv =0 . Alternativamente, cuando se aplica un voltaje negativo al circuito, 0<sv , el diodo ideal se polariza inversamente, de tal forma que puede ser reemplazado por un circuito abierto. En este caso, la corriente que circula por el circuito será cero y el voltaje en las terminales del resistor también será cero, 00 =v V. En la Figura 1 se muestran las formas de onda para los voltajes de entrada y salida respectivamente. Observe que mientras la señal de entrada iv alterna en polaridad y tiene un valor promedio en el tiempo de cero, el voltaje de salida ov es unidireccional y tiene un valor promedio diferente de cero. La señal de entrada es en consecuencia rectificada. La operación de este circuito no es eficiente ya que durante la mitad de cada ciclo la señal de entrada es completamente bloqueada en la salida.

Rectificación de onda completa

Como se puede observar en la Figura 1, la diferencia entre un rectificador de media onda y uno de onda completa es que este último transfiere energía a la salida durante ambas mitades de la señal de entrada senoidal. Debido a esto, el circuito rectificador de onda completa duplica el voltaje promedio en su salida en comparación al que entrega un circuito rectificador de media onda. Un ejemplo de un circuito rectificador de onda completa se muestra en la Figura 3. Observe que en este circuito se utiliza un transformador de potencia con derivación central en el secundario, lo que proporciona dos salidas de voltaje sv con las polaridades indicadas.

RL

+

-

oviv -

-

+

sv

D1

D2sv

RLRL

+

-

+

-

oviv -

-

+

sv

D1

D2sv

Figura 3 Ejemplo de un circuito rectificador de onda completa


- 3 -

La Figura 4 muestra las formas de onda de salida para este circuito (suponiendo que sv sea una señal de voltaje senoidal), en ella se indican los semiciclos de señal en que los diodos D1 y D2 se encuentran en conducción.

ov

t

Vs

T

. . .0

D1 encendido

2T

D2 encendido

D1 encendido

D2 encendido

D1 encendido

23T 2T

ov

t

Vs

T

. . .0

D1 encendido

2T

D2 encendido

D1 encendido

D2 encendido

D1 encendido

23T 2T

Figura 4 Formas de onda de salida para el rectificador de onda completa

Puente Rectificador

Otro ejemplo de un circuito rectificador de onda completa se ilustra en la Figura 5, este circuito se denomina puente rectificador. Observe que se utilizan cuatro diodos, en comparación con sólo dos en el circuito rectificador de onda completa mostrado en la Figura 3. Observe también, que éste circuito no requiere de un transformador con un devanado secundario con derivación central. En el circuito rectificador de la Figura 3, la derivación central sirve como retorno común, y el voltaje en la carga es la mitad del voltaje presente en el secundario del transformador. Si se utiliza el mismo transformador para el rectificador en puente, entonces el voltaje de salida será el doble que el que proporciona el rectificador de onda completa de dos diodos mostrado en la Figura 3.

RL

+

-

ov

iv

N:1 +

-

sv1

2

3

4

RL

+

-

ov

iv

N:1 +

-

sv1

2

3

4

Figura 5 Rectificador de onda completa en puente

Bibliografía

Libro de Texto:

• Microelectronics; Circuit Analysis and Design (Chapter 2) Donal A. Neamen, McGraw Hill, 3rd Edition, 2007

Libros de Consulta:

• Electronic Devices (Chapter 1) Thomas L. Floyd, Prentice Hall, 6th Edition, 2002

• Electronic Circuits; Analysis, Simulation, and Design (Chapter 3) Norbert R. Malik, Prentice Hall, 1995

• Electronic Devices and Circuits (Chapter 1 and 2) Robert T. Paynter, Prentice Hall, 7th Edition, 2006


- 4 -

1.2 ACTIVIDAD PREVIA

Instrucciones

Siga detalladamente las instrucciones para cada uno de los puntos que se presentan a continuación. Conteste y/o resuelva lo que se le pide en los espacios correspondientes para cada pregunta. Hágalo de manera ordenada y clara. En el reporte agregue en el espacio asignado gráficas comparativas, análisis de circuitos, simulaciones en computadora, ecuaciones, cálculos, etc., según sea el caso.

No olvide colocar una portada con sus datos de identificación así como los datos relacionados con la práctica en cuestión, como número de práctica, titulo, fecha, etc.

Desarrollo de la actividad previa

I) Lea detenidamente el capitulo 2 de su libro de texto (Circuitos con diodos), y en los libros de consulta, el material relacionado con circuitos rectificadores, y conteste lo siguiente:

• Explique en que consiste el proceso de rectificación (aplicado a circuitos electrónicos) y ¿Cuál es la importancia del diodo en este proceso? _________________________________________________________________________________________________________________________________________

• Describa tres aplicaciones practicas de los circuitos rectificadores 1._________________________________________________________________________ 2._________________________________________________________________________ 3._________________________________________________________________________

• ¿Cuáles son las principales funciones del transformador en los circuitos rectificadores? _________________________________________________________________________________________________________________________________________

• Considerando despreciables las pérdidas en el transformador de la figura, determine las ecuaciones que relacionan los voltajes, corrientes e impedancias en el primario y secundario en función de la relación de vueltas N2 y N1. _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

+

-

+

-

1i 2i

2v1v

N1 : N2Z1 Z2

+

-

+

-

1i 2i

2v1v

N1 : N2Z1 Z2

Figura 6 Representación de un transformador ideal


- 5 -

• Para los circuitos rectificadores que se ilustran en las Figuras 2, 3 y 5 suponga que el voltaje total en el secundario del transformador tiene un valor efectivo (voltaje RMS) de 12 V. Dibuje las formas de onda de voltaje en la carga e indique su valor máximo, para los 3 tipos de rectificadores. Determine en cada caso el voltaje máximo de polarización inversa (PIV - Voltaje de Pico Inverso) en las terminales del diodo. Obtenga la expresión matemática que permita calcular el voltaje promedio en la carga para cada rectificador. Considerando diodos de silicio realice sus análisis en los siguientes espacios.


- 6 -

1.3 PROCEDIMIENTO

En esta sección se analizará primeramente el funcionamiento de un transformador el cual forma parte de los diferentes circuitos rectificadores de media onda y onda completa. Una vez entendido el funcionamiento del transformador, enseguida se analizan por separado cada uno los tres tipos de rectificadores. Este análisis se llevara a cabo realizando mediciones de voltaje y corriente a través de la interfase gráfica del Laboratorio Remoto de Electrónica (eLab). Entre otras cosas, se medirán formas de onda de voltaje, así como los valores efectivos y promedios de voltaje. Se determinará también el efecto del voltaje de polarización de los diodos sobre el voltaje en la carga para cada uno de los rectificadores. Nota: Para cada una de las mediciones y/o cálculos efectuados se deben agregar siempre las unidades respectivas, por ejemplo: para mediciones de voltaje utilizar V, mV, V (rms), etc; para las de corriente A, mA, A (rms), etc; para frecuencia utilizar Hz o rad/s, según el caso.

I) Circuito con transformador

A continuación se presenta el procedimiento que servirá de guía durante el análisis del circuito con transformador que se ilustra en la Figura 9.

a) Análisis del primario. Mida la forma de onda de voltaje en el primario del transformador y anéxela en el siguiente recuadro:

b) Observe la forma de onda anterior y mida el valor del voltaje pico (voltaje máximo).

Voltaje pico en el primario Vpico=

(Agregue aquí la forma de onda del osciloscopio para el voltaje en el primario del transformador)

iv -

-

+

sv

svGndiv -

-

+

sv

svGnd

Figura 9 Circuito con transformador.


- 7 -

c) A partir del voltaje pico, calcule analíticamente el valor efectivo (eficaz o rms) en el primario del transformador.

Voltaje efectivo (rms) en el primario del transformador,

Vrms =

d) Realice las mediciones adecuadas y a partir de ellas obtenga la frecuencia de la señal de voltaje presente en el primario del transformador.

Frecuencia en el primario fprimario=

e) Análisis del secundario. Realice las mismas mediciones y cálculos analíticos de los incisos (a), (b), (c) y (d), pero ahora aplicados en el secundario del transformador, anote sus resultados en los siguientes recuadros:

Forma de onda de voltaje en el secundario del transformador.

Voltaje pico en el secundario del transformador

Vpico=

Voltaje efectivo (rms) en el secundario del transformador

Vs=

Frecuencia en el secundario del transformador.

fsecundario=

f) Análisis del secundario con respecto a la derivación central. Mida la forma de onda de voltaje en los dos devanados parciales del secundario del transformador. La medición la debe efectuar con respecto a la derivación central, según la Figura 9. Anexe las formas de onda en el siguiente recuadro:

(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en el secundario del transformador)


- 8 -

g) Observe las formas de onda anteriores y mida el valor de voltaje pico (voltaje máximo).

Voltaje pico en el secundario del transformador con respecto a la derivación central.

Vpico1 = Vpico2 =

h) A partir del voltaje pico medido en el inciso anterior, calcule analíticamente el valor efectivo (eficaz o rms) en el secundario del transformador (con respecto a la derivación central). Anote estas mediciones en la casilla “Resultado de la medición”.

1er devanado parcial 2do devanado parcial

Voltaje efectivo (rms) en el secundario del transformador con respecto a la derivación central.

Vs =

Vs =

i) Compare estas últimas mediciones del voltaje efectivo con las obtenidas en el inciso e. A continuación proporcione una explicación que justifique estos resultados: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

j) Calculo de la relación de vueltas N. Utilizando los valores de las mediciones de voltaje efectivo, tanto en el primario como en el secundario, determine la relación de vueltas del transformador.

Relación de vueltas del transformador. N=

II) Circuito rectificador de media onda

A continuación se presenta el procedimiento para llevar a cabo las mediciones de voltaje y corriente para el circuito rectificador de media onda que se ilustra en la Figura 10.

(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en los dos devanados parciales del secundario del

transformador)


- 9 -

a) Análisis del diodo. Empleando la instrumentación del eLab mida la forma de onda de voltaje presente en las terminales del diodo. Anexe esta forma de onda en el siguiente recuadro.

b) Para la forma de onda anterior, realice las siguientes mediciones:

Voltaje de pico inverso del diodo. VPIV = Voltaje de conducción en el diodo. VD =

c) Análisis en la carga RL. Mida la forma de onda de voltaje (vo) en la carga RL y anéxela en el siguiente recuadro:

d) Observe la forma de onda anterior y mida el valor de voltaje pico (valor máximo).

Voltaje pico en la carga RL. Vmax=

(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en las terminales del diodo)

(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en la carga RL )

RL=sv

iv

-

RL=sv

iv

-

Figura 10 Circuito rectificador de media onda


- 10 -

e) Con la medición del voltaje pico anterior, calcule analíticamente la corriente pico en la carga RL.

Corriente pico en la carga RL. Imax =

f) A partir de la medición del voltaje pico, calcule el valor promedio o de CD para la señal de voltaje en la carga RL.

Valor promedio o de CD para el voltaje vo en la carga RL.

VDC=

g) Calcule analíticamente el valor promedio de la señal de corriente en la carga RL. Para ello, utilice el voltaje VDC obtenido en el punto anterior.

Valor de la corriente promedio en la carga RL.

IDC=

h) Realice las mediciones adecuadas en la señal de voltaje en la carga y a partir de ellas obtenga su frecuencia.

Frecuencia de la señal de voltaje, vo, en la carga. =

LRf

i) Utilizando la definición matemática de valor efectivo (eficaz o rms). Calcule, a partir de la forma de onda de voltaje, el valor efectivo del voltaje en la carga RL.

Voltaje efectivo en la carga RL Veff (en RL) =

III) Circuito rectificador de onda completa

A continuación se presenta el procedimiento para llevar a cabo las mediciones de voltaje y corriente para el circuito rectificador de onda completa que se ilustra en la Figura 11.

a) Análisis de los diodos. Mida la forma de onda de voltaje presente en las terminales de los diodos D1 y D2. Observe detenidamente estas formas de onda. A continuación, anexe las formas de onda en el siguiente recuadro y realice las mediciones que se indican más adelante.

RL=

+

-

oviv -

-

+

sv

D1

D2sv

GndRL=

+

-

+

-

oviv -

-

+

sv

D1

D2sv

Gnd

Figura 11 Circuito rectificador de onda completa.


- 11 -


Valor de voltaje de pico inverso en las terminales del diodo.

VPIV=

Voltaje de conducción en el diodo. VD=

• En relación al voltaje de pico inverso obtenido en esta última medición, ¿esta usted seguro que el diodo empleado puede soportar este voltaje en sus terminales? Suponga ahora que este voltaje se incrementa por un factor de 10, debido a una falla del transformador ¿Soportará el diodo este incremento? Justifique sus respuestas. ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________



Valor de voltaje pico en la carga RL. VM=


Corriente pico en la carga RL. IM=

f) A partir de la medición del voltaje pico, calcule el valor promedio o de CD para la señal de voltaje en la carga RL.

(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en las terminales del diodo D1 o D2)



- 12 -

Valor promedio o de CD para el voltaje vo en la carga.

VDC=


Corriente promedio en la carga. IDC=

h) Realice las mediciones adecuadas en la señal de voltaje en la carga y a partir de ellas obtenga su frecuencia.

Frecuencia para la señal de voltaje, vo, en la carga. =

LRf

i) Utilizando la definición matemática de valor efectivo (eficaz o rms). Calcule, a partir de la forma de onda de voltaje, el valor efectivo del voltaje en la carga RL.


IV) Circuito rectificador de onda completa en puente

A continuación se presenta el procedimiento para llevar a cabo las mediciones de voltaje y corriente para el circuito rectificador de onda completa en puente que se ilustra en la Figura 12.

RL=680 Ω

+

-

ov

iv

N:1 +

-

svD1

D2

D3

D4

2

1

3

RL=680 Ω

+

-

ov

iv

N:1 +

-

svD1

D2

D3

D4

2

1

3

Figura 12 Circuito rectificador de onda completa en puente

a) Análisis de los diodos. Mida la forma de onda de voltaje presente en las terminales de los diodos D1, D2, D3 y D4. Compare detenidamente estas formas de onda y observe que salvo por el desfasamiento en el tiempo estas son iguales. Enseguida seleccione una de ellas y anéxela en el siguiente recuadro.

(Agregue aquí la forma de onda para el voltaje en las terminales del diodo seleccionado)


- 13 -


Valor de voltaje de pico inverso en las terminales del diodo.

VPIV=

Voltaje de conducción en el diodo. VD=



Voltaje pico en la carga RL. Vmax =


Corriente pico en la carga RL. Imax =

f) Calcule, a partir de la medición del voltaje pico, el valor promedio o de CD para la señal de voltaje en la carga RL.

Valor promedio o de CD para el voltaje vo en la carga.

VDC=


Valor de la corriente promedio en la carga RL.

IDC=

h) Utilizando la definición matemática de valor efectivo (eficaz o rms). Calcule, a partir de la forma de onda de voltaje, el valor efectivo del voltaje en la carga RL.




- 14 -

1.4 ACTIVIDADES Y CONCLUSIONES FINALES

1) Para cada circuito rectificador, compare el voltaje de conducción y el voltaje de pico inverso en las terminales de los diodos. Complete la siguiente tabla.

Tipo de circuito Voltaje de conducción Voltaje de pico inverso Rectificador de media onda VD= VPIV= Rect. de onda completa VD= VPIV= Puente Rectificador VD= VPIV= 2) Explique el efecto del voltaje de conducción de cada diodo en el voltaje de salida del rectificador. Además, explique si es posible ignorar el efecto de dicho voltaje. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3) Explique el comportamiento que presenta el voltaje de pico inverso en cada circuito rectificador. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) Compare los valores efectivos de voltaje en el primario y secundario del transformador con los medidos en la carga para cada circuito rectificador. También, para cada circuito rectificador, compare los valores de voltaje promedio obtenidos en la carga. Complete las siguientes tablas.

Voltaje efectivo en el primario del transformador vi=

Voltaje efectivo en el secundario del transformador vs=

Tipo de circuito Voltaje promedio en la

carga Voltaje efectivo en la

carga Rectificador de media onda VDC= Veff en RL = Rectificador de onda completa VDC= Veff en RL = Rectificador de onda completa en puente VDC= Veff en RL =

5) En base a las tablas anteriores, proporcione una explicación para el comportamiento de los valores efectivos de voltaje medidos en el primario del transformador, en su secundario y en la carga RL. ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6) Observe la tabla anterior e indique ¿cual rectificador es el que proporciona el mayor voltaje de CD? ___________________________________________________________________________ 7) Utilizando los resultados obtenidos directamente de las mediciones. Calcule la potencia promedio o de CD que disipa la carga RL. Calcule también su potencia máxima (presente en un instante de tiempo específico). Realice lo anterior para cada circuito rectificador. Indique además en el espacio correspondiente la ecuación o ecuaciones utilizadas para el cálculo de ambas potencias:


- 15 -

Formulas para el cálculo de las potencias.

Tipo de circuito Potencia de CD

disipada por la carga Potencia máxima

disipada por la carga Rectificador de media onda PDC= Pmax= Rectificador de onda completa PDC= Pmax= Rectificador de onda completa en puente PDC= Pmax=

8) En base a la tabla anterior ¿que tipo de rectificador es el que proporciona una mayor potencia a la carga? Justifique su respuesta. ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

9) Anote enseguida sus conclusiones generales de la presente práctica: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Documents

PD3 Circuitos Rectificadores