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2012
Bobina
Secundaria
e
Bobina
Primaria
+ + +
A C
D C C.C.P
1N4007
1. TRANSFORMADORES Y RECTIFICADORES. Los transformadores son máquinas estáticas que transfiere energía eléctrica de un circuito a otro sin cambiar su frecuencia. “Una máquina recibe cierto tipo de energía para transformarla en otra más apropiada; por ejemplo, de mecánica a eléctrica o de eléctrica a mecánica. Debido a que el transformador cambia las características de la energía eléctrica también se le puede denominar máquina”. Los transformadores están formados por tres circuitos a saber: uno circuito magnético y dos circuitos eléctricos. El circuito magnético lo forman las láminas de hierro al silicio de grano orientado al (4%), con un espesor de (0.355 mm) y una capa de aislante de (0.0254 mm) encargadas de hacer variar el flujo magnético generado por la corriente alterna conectada al bobinado primario. El circuito eléctrico esta formado por una bobina primaria encargada de recibir la energía eléctrica suministrada por la fuente y una o varias bobinas secundarias encargadas de suministrar la energía eléctrica a los aparatos que se han de alimentar FIG 1. En la FIG 1 se han alojados las bobinas separadamente pero en a práctica los bobinados se deben colocar lo más juntos posible para mejorar el rendimiento del transformador.
FIG 1. Si se conecta el devanado primario de un transformador, a un voltaje alterno, circulará una corriente pequeña por este, llamada corriente de excitación aunque no se conecte ninguna carga en el secundario.
Alimentación
Bobinado primario
suministro
Bobinado secundario
Esta corriente genera un flujo alterno o variante en el núcleo de hierro que acopla las espiras de ambos devanados, al aumentar y disminuir en dirección opuesta. El núcleo como se representa en la FIG 1, esta formado por láminas superpuesta, en uno de sus lados se arrolla el devanado primario y en el otro el devanado secundario. Si al arrollamiento primario conectamos una corriente alterna esta produce un flujo alternativo en el núcleo de hierro. Las espiras del arrollamiento
secundario son abrazadas por el mismo flujo, que por ser alternativo induce en este una fuerza electromotriz (f.e.m) de la misma frecuencia que el flujo. Debido a esta f.e.m inducida, el devanado secundario es capaz de suministrar corriente y energía eléctrica. La energía, por lo tanto, se transfiere de del devanado primario al secundario por medio del flujo magnético. El flujo o flujo común o mutuo, al pasar por el circuito magnético constituido
por el núcleo de hierro, no solo abraza las espiras del devanado primario, sino también a las espiras del devanado secundario, y, por lo tanto, debe inducir una f.e.m en ambos devanados. Como el flujo es el mismo, en cada uno de los devanados se debe inducir la misma f.e.m por espiras, y la f.e.m por espira, por lo tanto la f.e.m inducida en cada uno de los devanados debe ser proporcional al número de espiras que los componen; es decir.
Ns
Np
Es
Ep
Esta ecuación corresponde a la relación de los transformadores que dice: En los transformadores, la tensión en los terminales de cada uno de los bobinados es proporcional al número de espiras de cada uno de ellos. 1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES. Los transformadores se pueden clasificar de diversas maneras a saber.
- Según el numero de fases con las que trabaja: en monofásicos (una fase), bifásicos (dos fases), trifásicos (tres fases), hexafásicos o polifásicos ( seis fases), dodecafásicos (doce fases).
- Según el tipo del núcleo que se usa. En núcleo acorazado, núcleo en
columna, núcleo distribuido y núcleo Spirakore o en espiral.
- Según la tensión a la cual se conecta: en alta, baja y media tensión.
- Según su uso: en transformadores industriales de tensión, de intensidad y de potencia.
- Según la corriente en: baja, media y alta corriente.
- Y transformadores especiales usados en radios, electrodomésticos y
laboratorios. 1.2 PÉRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES.
Aunque los transformadores son aparatos de muy buen rendimiento, tienen ciertas perdidas que se producen dentro de sus arrollamientos y su núcleo cuando están en funcionamiento. a este tipo de pérdidas usualmente se les llama pérdidas en el cobre y pérdidas en núcleo. Las pérdidas en cobre se deben a la resistencia de las bobinas que hace que se transforme en calor dentro de los arrollamientos una cierta porción de la energía. Esta pérdida es proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente que circula por los arrollamientos por la resistencia de cada uno de los devanados
( xRI 2) y, por consiguiente, es aproximadamente cero en vacío y máxima a
plena carga. Para medir las pérdidas en el cobre de cada uno de los devanados se procede de la siguiente forma: Se conectan cada uno de los bobinados a una fuente de corriente continua en serie con una resistencia para limitar la corriente, se instala un amperímetro de corriente continua entre una línea del transformador y la resistencia y se conecta un voltímetro de corriente continua en paralelo con los terminales del transformador para medir el voltaje. Luego se determina la resistencia del bobinado por la ley de OHM multiplicado por 1.1 para obtener la resistencia de la corriente alterna o efectiva FIG 2. Para determinar las pérdidas totales usamos la formula siguiente:
VatiosxRIxRIPtcu 2
2
21
2
1
FIG 2. Para determinar las pérdidas en el cobre.
Las pérdidas en el núcleo son de dos tipos a saber: - Pérdidas por corrientes parásitas o corrientes de Foucault. - Pérdidas por Histéresis. Las corrientes parásitas son corrientes de cortocircuito y bajo voltaje que circulan en diferentes superficies del núcleo debido a las líneas de fuerza magnéticas que cortan la masa del núcleo con intensidad variable. Para reducir las corrientes parásitas los núcleos se fabrican de varias láminas de hierro. Las pérdidas por Histéresis se deben a la inversión de las cargas magnéticas de las moléculas de hierro, ya que el flujo alternante invierte continuamente de sentido en el núcleo, haciendo que se genere un poco de calor. Las pérdidas en el núcleo del transformador se pueden determinar de la
siguiente manera: Fig 3.
FIG 3. Perdidas en el núcleo. Las perdidas de potencia, en vatios, en el núcleo del transformador, se determinan leyendo el vatímetro cuando el secundario queda abierto. El otro método es colocando un voltímetro y un amperímetro, como muestra la (figura 3).
A
V Vcc
R
W
A
V Vca
Es conveniente variar el voltaje del bobinado primario desde (cero 0) hasta el valor del voltaje de alimentación, con el fin de establecer diferentes valores para trazar una curva de las perdidas. Las pérdidas en el núcleo varían aproximadamente en proporción con el cuadrado de la tensión. Fig 4
FIG.4
1.3 CÁLCULO DE TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS. Cuando se hace necesario calcular pequeños transformadores eléctricos para servicios electrónicos; ejemplo para radios televisores, equipos de sonido, calculadoras etc. Se procede de la siguiente forma. Si no se posee un núcleo procedemos a calcularlo de la siguiente manera: Se determina la potencia del equipo o aparato que debemos alimentar, para luego calcular la sección del núcleo. La sección del núcleo se determina por la potencia aparente (+) más el 20% para equilibrar las pérdidas en el hierro y el cobre.
A = P1.1
de donde P = potencia requerida por el transformador y se determina multiplicando los voltios por los amperios del bobinado secundario, más la potencia del bobinado primario que se determina de la misma forma. Pt = Vs x Is + Vp x Ip. A (área del núcleo) es igual a la sección del núcleo del transformador.
Pérdidas en el núcleo
Pérdidas en el núcleo
Tensión nominal
1.1 es el rendimiento del transformador; para transformadores pequeños de servicios electrónicos se toma 1.1, para transformadores con núcleo en columna es de 0.9 y para transformadores de distribución de 13200 voltios se toma 0.6. Conociendo la potencia que se requiere, podemos calcular la sección del núcleo de la siguiente forma.
A = P1.1
si tenemos el núcleo podemos determinar la potencia que nos puede suministrar despejando la potencia de la formula anterior.
A = P1.1
A2
= (1.1) 2
x 2p
A2
= (1.1) 2
x P
2
2
1.1
A= P; P =
2
1.1
A
A = e x Pr; e y Pr: son las medidas del núcleo del transformador.
FIG 5. Medidas para e l núcleo de transformador.
L
pr
e
A partir de la potencia y conociendo el voltaje del bobinado primario y secundario, podemos conocer la corriente que circulara por cada uno de los bobinados o devanados.
Ip = intensidad primaria = Ip =Vp
w; Vp = voltaje del bobinado primario.
Is = intensidad secundaria = Is = Vs
w; Vs = voltaje del bobinado secundario.
El número de espiras para cada bobina o devanado se puede calcular a partir de la formula general de voltaje.
V = 4.44 x f x N x x A x 108 voltios.
V = al voltaje del bobinado. 4.44 constante. F = frecuencia a la que trabaja el bobinado. N = número de espiras de la bobina.
= beta = 10000 gauss.
A = sección del núcleo.
108 = constante.
N = xAxfx
Vx
44.4
10 8
N = xAxx
Vx4
8
106044.4
10
N = xAx
Vx
644.4
103
Conociendo la corriente que circula por cada uno de los bobinados se puede calcula el calibre de cada uno de los conductores por medio de la siguiente expresión.
S en 2mm =
I.
S = sección en milímetros cuadrados. I = corriente de trabajo del devanado en Amperios.
= densidad en Amperios por milímetro cuadrado.
La sección en milímetros cuadrados se busca en la tabla de conductores y se compara a que calibre corresponde cada uno.
1.4 CARACTERÍSTICAS DE LOS CONDUCTORES DE COBRE
No AWG
Diámetro Sección
Pulgadas mm Circular mils mm
2
0000 0,4600 107,20 211.600 107,20
000 0,4096 85,00 167.800 85,00
00 0,3668 67,42 133.100 67,42
0 0,3249 53,48 105.500 53,48
1 0,2893 42,40 83.694 42,40
2 0,2576 33,62 66.370 33,62
3 0,2294 26,66 52.630 26,66
4 0,2043 21,15 41.740 21,15
5 0,1819 16,57 33.100 16,57
6 0,1620 13,29 26.250 13,29
7 0,1443 10,51 20.820 10,51
8 0,1285 8,32 16.510 8,32
9 0,1144 6,64 13.090 6,64
10 0,1019 5,29 10.380 5,29
11 0,9074 4,19 8.230 4,19
12 0,8081 3,29 6.530 3,29
13 0,07196 2,63 5.170 2,63
14 0,06408 2,08 4.107 2,08
15 0,05707 1,68 3.257 1,68
16 0,05082 1,29 2.583 1,29
17 0,04526 1,14 2.048 1,03
18 0,040030 1,02 1.624 0,85
19 0,03589 0,90 1.288 0,65
20 0,03196 0,81 1.022 0,52
21 0,02846 0,72 810.1 0,41
22 0,02535 0,64 642.4 0,33
23 0,02257 0,57 509.5 0,26
24 0,02010 0,51 404.0 0,20
25 0,01790 0,45 320.4 0,16
26 0,01594 0,41 254.1 0,13
27 0,01420 0,36 201.5 0,10
28 0,01264 0,32 159.8 0,08
29 0,01126 0,29 126.7 0,06
30 0,01003 0,26 100.5 0,05
31 0,00892 0,23 79.70 0,04
32 0,00795 0,20 63.21 0,03
33 0,00708 0,18 50.13 0,03
34 0,00630 0,16 39.75 0,02
35 0,00561 0,14 31.52 0,02
36 0,00500 0,13 25.00 0,01
37 0,00445 0,11 19.83 0,01
38 0,00396 0,10 15.72 0,01
39 0,00363 0,09 12.47 0,01
40 0,00314 0,08 9.888 0,00
El procedimiento siguiente es preparar la formaleta en donde vamos a alojar las bobinas FIG 6a, 6b, 6c y 6d.
FIG 6a. FIG 6b.
El paso siguiente es hacer cada uno de los devanados, separados por una capa de papel pescado. Fig. 3c.
FIG 6c. Transformador en proceso de bobinado.
e pr
l
FIG 6d. Transformador terminado.
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e
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2. SEMICONDUCTORES Y SISTEMAS DE RECTIFICACIÓN.
2.1 DIODOS Dependiendo de las propiedades eléctricas los materiales pueden ser: buenos conductores como el oro, plata, el cobre y malos conductores de electricidad como el madera, vidrio. Entre los materiales buenos y malos conductores de la electricidad se encuentra otro elementos que tienen la particularidad de ser ni buenos ni malos conductores, son los llamados semiconductores; entre muchos podemos destacar el silicio y el germanio. A estos semiconductores los podemos alterar, agregando impurezas cambiando sus propiedades eléctricas y usarlos en aplicaciones electrónicas. 2.2 ESTRUCTURA ATÓMICA DE LOS SEMICONDUCTORES. Todo átomo esta constituido por tres (3) tipos de partículas fundamentales que son: los protones y neutrones ubicados en el centro del átomo (NÚCLEO) y los electrones que giran alrededor del núcleo en orbitas. Bohr idealizó el átomo como los electrones de cargas negativas rodeando al núcleo con cargas positivas de los protones; los electrones se mantienen en sus orbitas y no son atraídos hacia el núcleo gracias a la fuerza centrífuga de su movimiento la cual compensa la fuerza de atracción del núcleo. Si tomamos por ejemplo un átomo de silicio que tiene 14 protones en su núcleo, y 14 electrones distribuidos en tres (3) capas o niveles de energía de la siguiente forma. - Dos (2) electrones en la primera órbita. - Ocho (8) electrones en la segunda órbita. - Y cuatro (4) electrones en la tercera órbita, podemos hacer una presentación de esta estructura FIG 7.
Si el átomo es bombardeado con alguna forma de energía externa como calor, luz, magnetismo o cualquier otra radiación, esto hace que se le agregue energía a los electrones o sea haciendo que se desplace a una orbita más grande o de mayor energía; cuando la acción termina el átomo regresa a su estado normal. Así como el silicio tiene cuatro electores en tercera orbita existen otros materiales con la misma característica como el germanio o carbón. El átomo de silicio y germanio requiere tener ocho (8) electrones en su tercera orbita para ser estable, por tal razón debe compartir cuatro electrones con cuatro átomos vecinos. El átomo de silicio y germanio al combinarse ordenadamente con otros átomos del mismo material forma una estructura sólida llamada cristal. La fuerza que mantiene unidos los átomos entre si, se llama enlace covalente FIG 8a. FIG 8b.
14 Protones
Orbita de 4 electrones Núcleo del átomo
FIG 7. Átomo de Silicio.
Si
Si Si
Si
Si
FIG 8a. Cristal de Silicio
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
FIG 8b. Cristal de Germanio
2.3 DOPADO
Cuando al silicio o al germanio se le agregan materiales diferentes al del mismo material podemos decir que se ha realizado un dopado. Por ejemplo: si al silicio o germanio que tiene cuatro electrones en su última capa o nivel, le agregamos impurezas de otro material que tenga cinco (5) electrones en su último nivel, como el arsénico (As) o el antimonio (Sb) formamos un material de tipo (N) por que el silicio o germanio forman enlaces covalentes con cuatro electrones de cuatro átomos vecinos para forma una estructura que comparten cuatro electrones del silicio o germanio y cuatro electrones del material agregado. Como el material agregado aporta (5) electrones, pero solo comparte (4) electrones; sobrando un electrón lo cual hace al nuevo material con exceso de electrones llamado átomo donador. FIG 9.
si al silicio o germanio que tiene cuatro electrones en su última capa o nivel, le agregamos impurezas de otro material que tenga cinco (3) electrones en su último nivel, como Aluminio (Al), Galio (Ga) o Indio (In) formamos un material de tipo (P) por que el silicio o germanio forman enlaces covalentes con tre (3) electrones de cuatro átomos vecinos para forma una estructura que comparten cuatro electrones del silicio o germanio y Tres (3) electrones del material agregado. Como el material agregado aporta tres (3) electrones, compartiendo con tres (3) electrones con tres átomos vecino quedando un cuarto átomo sin compartir electrones, dejando un hueco; lo cual hace al nuevo material con deficiencia de electrones. FIG 10.
Si
As Si
Si
Si
FIG 9
Si
Si
Si
Si Si Si Si Electrón libre del As
Si unimos un material semiconductor de tipo (P) con un material semiconductor de tipo (N) formamos un DIODO semiconductor. Dentro de la unión de los dos materiales hay un intercambio de electrones en el material (P) dejando huecos en la región (N), a este fenómeno se le llama barrera de protección. FIG11. Dicho de otra forma: significa que en el material (P) existe una región en que predominan cargas N, y en el material (N) existe una región en que predominan cargas P. En condiciones normales, sin acción de corriente externas, no hay circulación de corriente el sistema se encuentra en equilibrio. Al material de tipo (P) se le llama (ANODO) y al material de tipo (N) lo denominamos (CATODO) siendo estos los terminales del diodo. En la FIG.11b se encuentra el símbolo del diodo de estado sólido y en la FIG.11c encontramos la apariencia física del elemento, la franja indica el cátodo.
FIG 10
Si
Al Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si Si Si
Hueco o enlace vacío
2.4 POLARIZACIÓN DE UN DIODO Si a la juntura PN la polarizamos por medio de una batería como indica la FIG.12. conectando el polo positivo (+) al semiconductor (P) y el polo negativo (-) se conecta al semiconductor (N), los electrones de la barrera de protección se intercambian en dirección opuesta. Este fenómeno ocurre debido a la influencia del campo eléctrico ,cruzan la unión y se unen unos a otros; es decir los electrones se combinan con la laguna o huecos. Cundo una laguna se une a un hueco, ambas cargas se anulan y desaparecen de tal forma que el material de tipo (P) queda con deficiencia de lagunas y el material de tipo (N) con deficiencia de electrones; cada uno de ellos ha perdido sus portadores de corriente. Pero la batería de esta forma puede restaurar los electrones en el material (N) y las lagunas en el material (P); este tipo de conexión es llamada POLARIZACION DIRECTA y la corriente puede circular con facilidad por el componente; es decir el elemento ofrece baja resistencia al paso de la corriente eléctrica.
Símbolo del diodo
Apariencia real
+ + + + + + + + + - -
P + + + + + + + + - -
+ + + + + + + + + - -
+ + - - - - - - - - - - -
+ + - - - - - - - - - N
+ + - - - - - - - - - - -
Ánodo Cátodo
Zona de unión barrera de protección
FIG 11
FIG 11b
FIG 11c
En la polarización directa basta solo aplicar una diferencia de potencial de 0,7 voltios a los terminales del diodo para vencer la barrera de protección si el diodo es construido de SILICIO o 0,3 voltios si el diodo es de germanio.
Si se invierte la conexión de la batería como en la FIG. 13 los portadores de cargas positivas (+) son atraídos hacia el material (N) y los portadores de cargas negativas (-) hacia el material (P), en estas condiciones no hay recombinación de cargas para vencer la barrera de protección, el elemento se comporta con una alta resistencia la paso de la corriente alterna; este tipo de conexión es llamada POLARIZACIÓN INVERSA. La polarización inversa hace referencia al voltaje que el diodo puede detener sin entrar en cortocircuito, este valor lo determina el fabricante y se encuentra en la ficha técnica del componente.
En conclusión: El dio es un elemento electrónico, formado por dos materiales semiconductores de tipo (P) y tipo (N) con dos terminales de conexión. - Para la polarización directa hay que conectar el polo positivo (+) de la furente al ANODO del diodo y el polo negativo (-) de la fuente al CATODO.
+ + + + + + + + + - -
P + + + + + + + + - -
+ + + + + + + + + - -
+ + - - - - - - - - - - -
+ + - - - - - - - - - N
+ + - - - - - - - - - - -
+ - FIG 12
+ + + + - - - - - - - - -
P + + + - - - - - - - - -
+ + + + - - - - - - - - -
+ + + + + + + - - - -
+ + + + + + + - - - N
+ + + + + + + - - - -
- + FIG 13
- El diodo en polarización directa deja pasar la corriente con facilidad oponiendo baja resistencia y en polarización inversa la resistencia es elevada. En la FIG 14 se muestra las curvas de comportamiento del diodo en polarización directa e inversa 2.5 PRUEBA DEL DIODO La forma más común de probar un diodo es como de detalla a continuación: De acuerdo a lo dicho anteriormente, los diodos en polarización directa ofrece baja resistencia y en polarización inversa alta resistencia al paso de la corriente. Para poder comprobar el estado del diodo basta tener a mano un ohmetro digital o analógico. Con el ohmetro digital basta tenerlo en la posición de diodo; conectar el polo negativo al cátodo y el polo positivo al ánodo del diodo para conectarlo en polarización directa. El diodo ofrece una baja resistencias, se debe obtener una medida en el ohmetro entre 450 y 1000 ohmios FIG 15.
Polarización directa
Polarización inversa 0,3 V. 0,7 V.
SILICIO
GERMANIO
FIG 14
A
V Vl circuito anterior instale un cond
V
El paso siguiente es invertir los terminales del ohmetro para conectarlo en polarización inversa. En esta polarización el diodo ofrece alta resistencia, motivo por el cual el ohmetro no debe registrar ninguna medida FIG 16. En el caso que el diodo acuse medida en los dos sentidos es síntoma que el diodo se encuentra dañado. Con el ohmetro analógico se hace la misma operación; con la diferencia que la escala del tester se coloca en X1 o X100. En ambos casos el diodo solo debe indicar baja resistencia en un sentido.
4 5 0
FIG 15
+ -
1.
FIG 16
+ -
*
Si se indica baja resistencia en ambos sentidos indica que el diodo se encuentra en corto circuito. También puede ocurrir que el diodo presente alta resistencia en ambos sentidos, esto indica que el diodo está abierto. 2.6 EL DIODO COMO RECTIFICADOR En las fuentes de alimentación se usan diodos semiconductores que deben soportar grandes cantidades de corriente, son de trabajo lento, lo cual no se usan para trabajar en frecuencias altas. Para los diodos destinados a fuentes de alimentación existen dos nomenclaturas: la nomenclatura norteamericana que son los diodos que empiezan con (1N). Ejemplo el diodo (1N4007). Y la nomenclatura europea que empieza con las letras (BY); la letra “B “indica que es un diodo de silicio y la letra “Y” indica la función del diodo. Ejemplo: el diodo BY127. En las fuentes de alimentación la función de los diodos es convertir la corriente alterna (C A) en corriente continua pulsante (C.C.P.); es decir que en la corriente continua quedan residuos de corriente alterna. El símbolo para la corriente continua es una línea continua FIG 17 a y para la corriente continua pulsante es una línea punteada FIG 17 b. C.C. __________________ C:C:P ------------------------------- Existen tres sistemas fundamentales de rectificadores de corriente alterna a corriente continua: A) RECTIFICADORES DE MEDIA ONDA. Usa un diodo, encargado de dejar pasar la corriente (un semiciclo de la corriente alterna) por la resistencia de carga, cuando la polarización es directa FIG 18. Cuando el diodo entra en polarización inversa, este se opone al paso de la corriente, dejando la resistencia sin voltaje por un tiempo determinado.
FIG 17 a FIG 17 b
Ejercicio No 1 a. Construir un circuito rectificador de media onda, instale una resistencia de carga de 1K. Materiales: 1 transformador 506. 1 diodo 1N 4007. 1 resistencia de 1K. 1 metro de alambre rígido No 20. 1 board para experimentos. Rectificación de media onda con resistencia de carga.
V1
120V
F11A
T1
D11N4007
Rc
1k
Apoyado en el circuito anterior realice las siguiente Actividades. En los puntos determinados, medir voltios de CC y CA con el voltímetro y el osciloscopio.
Instrumento: Voltímetro y Osciloscopio Valor Medido Oscilagrama
Puntos Medir Dibujar cada
una de las curvas que
muestra el Osciloscopio
L1 – L2 AC
L1 – L2 CC
A – B AC
A – B CC
B – C AC
B – C CC
L1
L2
A
C
B
FIG 18 Rectificación de media onda
Este circuito para uso electrónico es muy incipiente, genera demasiado ruido en los aparatos electrónicos, por tener un alto componente de corriente alterna. Ejercicio No 1b. Al circuito anterior instale un condensador electrolítico en paralelo con la resistencia de carga y repita las mediciones anteriores. Compare los datos obtenidos en los dos circuitos y rinda un informe de las diferencias observadas. Materiales: 1 transformador 506. 1 diodo 1N 4007. 1 resistencia de 1K. 1 metro de alambre rígido No 20. 1 condensador electrolítico de 1.000 Mf 16 Voltios. 1 board para experimentos. Rectificación de media onda con condensador filtro y resistencia de carga.
+
C1
1000uF
V1
120V
F11A
T1
D11N4007
Rc
1k
Apoyado en el circuito anterior realice las siguiente Actividades. En los puntos determinados, medir voltios de CC y CA con el voltímetro y el osciloscopio.
Instrumento: Voltímetro y Osciloscopio Valor Oscilograma
Puntos Medir Dibujar cada
una de las curvas que
muestra el Osciloscopio
L1 – L2 AC
L1 – L2 CC
A – B AC
A – B CC
B – C AC
B – C CC
L1
L2
A
B
C
Compare los resultados con el circuito sin capacitor y saque conclusiones. Cundo se conecta un condensador en paralelo con la carga, ocurre lo siguiente: cuando el diodo es polarizado directamente la corriente circula por el circuito, el condensador se carga, luego cuando el diodo entra en dolarización inversa, el condensador se descarga por la resistencia supliendo en parte la falta de corriente en ese momento. El condensador hace que el componente de corriente alterna en el circuito se disminuya, haciendo que la onda ce corriente continua se mas pura FIG 19. En el circuito quedan residuo de corriente alterna; llamado voltaje de rizado. En las fuentes de alimentación, lo ideal es disminuir al máximo el voltaje de rizado. El condensador conectado en paralelo con la carga dentro de la fuente de alimentación recibe el nombre de (FILTRO).
- Recuerdo el concepto de diodo._______________________________ _________________________________________________________
- Compare los resultados de los ejercicio 1ª y 1b.
- Enuncie las diferencias en cada una de las medidas y teorice el por que._____________________________________________________ ________________________________________________________
FIG 19 Rectificación de media onda
- Con sus propias palabras explique el funcionamiento de un circuito rectificador de media onda._________________________________ ________________________________________________________
- ¿Qué función cumple el condensador en un filtro en un circuito
rectificador?.______________________________________________ _________________________________________________________
- ¿Cuál es la diferencia fundamental entre la corriente alterna (CA o AC)
y corriente continua (CC o DC).________________________________ _________________________________________________________
B) RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA CON TRANSFORMADOR DE DERIVACIÓN CENTRAL. Ejercicio No 2a. Construir un circuito rectificador de onda completa, instale una resistencia de carga de 1K. Materiales: 1 transformador 506. 2 diodos 1N 4007. 1 resistencia de 1K. 1 metro de alambre rígido No 20. 1 board para experimentos. Rectificación de onda completa con resistencia de carga.
120V
F11A
R11k
T1
D2
DIODE
D1DIODE
-
0
L1
L2
A
B
C +
+ -
En este circuito se usan dos diodos rectificadores, un transformador con derivación central y una resistencia que representa la carga del circuito. Funcionamiento. En el instante que D1 se encuentra en polarización directa, el cátodo es negativo y el ánodo es positivo circula la corriente por el diodo D1, D2 no permite el paso de corriente por estar en polarización inversa. Como la corriente alterna cambia constantemente de sentido, en el siguiente momento la polarización de los diodos se invierte. D1 entra en polarización inversa y D2 en polarización directa, la corriente pasa a circular por la resistencia de carga y D2 mientras que D1 deja de conducir. De esta forma D1 Y D2 dejan pasar un semiciclo positivo, dando como resultado una onda completa FIG 20. Este proceso se repite todo el tiempo que el circuito se encuentre en funcionamiento.
Apoyado en el circuito anterior realice las siguiente Actividades. En los puntos determinados, medir voltios de CC y CA con el voltímetro y el osciloscopio.
Instrumento: Voltímetro Y Osciloscopio Valor Diagramas
Puntos Medir
Dibujar cada una de
las curvas que muestra el
Osciloscopio
L1 – L2 AC
L1 – L2 CC
0 - A AC
0 - B AC
A - B AC
A - B CC
0 - C AC
0 - C CC
FIG 20 Rectificación de onda completa
Ejercicio No 2b. Al circuito anterior instale un condensador electrolítico en paralelo con la resistencia de carga y repita las mediciones anteriores. Compare los datos obtenidos en los dos circuitos y rinda un informe de las diferencias observadas. Materiales: 1 transformador 506. 2 diodos 1N 4007. 1 resistencia de 1K. 1 metro de alambre rígido No 20. 1 condensador electrolítico de 1.000 Mf 16 Voltios. 1 board para experimentos. Rectificación de onda completa con condensador y resistencia de carga.
+
C1
1000uF
120V
F11A
R11k
T1
D2
DIODE
D1DIODE
Apoyado en el circuito anterior realice las siguiente Actividades. En los puntos determinados, medir voltios de CC y CA con el voltímetro y el osciloscopio.
Instrumento: Voltímetro y Osciloscopio Valor Diagramas
Puntos Medir
Dibujar cada una de
las curvas que
L1 – L2 AC
L1 – L2 CC
0 - A AC
0 - B AC
L1
L2
A
B
C
0
A - B AC muestra el Osciloscopio A - B CC
0 - C AC
0 - C CC
Compare los resultados con el circuito sin capacitor y saque conclusiones.
- Recuerdo el concepto de corriente Alterna._______________________ ____________________________________________________________ - Compare los resultados de los ejercicio 2a y 2b Y.
- Enuncie las diferencias en cada una de las medidas y teorice el por
que.______________________________________________________________________________________________________________
- Con sus propias palabras explique el funcionamiento de un circuito
rectificador de onda completa_________________________________ _________________________________________________________
- ¿Qué función cumple el condensador en un filtro en un circuito
rectificador?._______________________________________________________________________________________________________
- ¿Cuál es la diferencia fundamental que existe entre el circuito
rectificador me media onda y onda completa._____________________ _________________________________________________________
C) RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA TIPO PUENTE. El rectificación de onda completa con rectificador tipo puente usa cuatro diodos rectificadores, el transformador no requiere de derivación central. Ejercicio No 3 a. Construir un circuito rectificador de onda completa con rectificador tipo puente y hacer las medidas correspondiente. Materiales: 1 transformador 506. 4 diodos 1N 4007.
1 resistencia de 1K. 1 metro de alambre rígido No 20. 1 board para experimentos.
RC1k
D1
BRIDGE
120V
F11A
T1
En este circuito cuando el Terminal A del transformador es negativo, los diodos 1 y 3 se encuentran en polarización directa, permitiendo el paso de corriente por RC. Los diodos 2 y 4 se encuentran en polarización inversa impidiendo el paso de corriente por estos. En el siguiente momento la polarización en el transformador cambia, en este momento los diodos 2 y 4 entran en polarización directa permitiendo el paso de corriente por RC, los diodos 1 y 3 entran en polarización inversa oponiéndose al paso de corriente. La forma de onda es igual a la FIG 20 Este proceso se repite todo el tiempo que el circuito se encuentre en funcionamiento. Apoyado en el circuito anterior realice las siguiente Actividades. En los puntos determinados, medir voltios de CC y CA con el voltímetro y el osciloscopio.
Instrumento :Voltímetro Y Osciloscopio Valor Oscilograma
Puntos Medir Dibujar cada una
de las curvas que
muestra el Osciloscopio
L1 – L2 AC
L1 – L2 CC
A - B AC
A - B CC
0 - C AC
0 - C CC
L1
L2
A
B 0
C
1 2
4
3
+
-
Ejercicio No 3b. Al circuito anterior instale un condensador electrolítico en paralelo con la resistencia de carga y repita las mediciones anteriores. Compare los datos obtenidos en los dos circuitos y rinda un informe de las diferencias observadas. Materiales: 1 transformador 506. 4 diodos 1N 4007. 1 resistencia de 1K. 1 metro de alambre rígido No 20. 1 condensador electrolítico de 1.000 Mf 16 Voltios. 1 board para experimentos. Rectificación de onda completa con rectificador tipo puente, condensador y resistencia de carga.
+
C1
1000uF
RC1k
D1
BRIDGE
120V
F11A
T1
Apoyado en el circuito anterior realice las siguiente Actividades. En los puntos determinados, medir voltios de CC y CA con el voltímetro y el osciloscopio.
Instrumento: Osciloscopio Y Osciloscopio Valor Oscilograma
Puntos Medir Dibujar cada una
de las curvas que
muestra el Osciloscopio
L1 – L2 AC
L1 – L2 CC
A - B AC
A - B CC
0 - C AC
0 - C CC
Compare los resultados con el circuito sin capacitor y saque conclusiones.
- Recuerdo el concepto de corriente continua._____________________ ____________________________________________________________
A
B
L1
L2
0
C
- Compare los resultados del ejercicio 2a y 2b con 3aY 3b.
- Enuncie las diferencias en cada una de las medidas y teorice el por
que.______________________________________________________________________________________________________________
- Con sus propias palabras explique el funcionamiento de un circuito
rectificador de onda completa________________________________ ________________________________________________________
- ¿Qué función cumple el condensador en un filtro en un circuito
rectificador?______________________________________________ ________________________________________________________
- ¿Cuál es la diferencia fundamental que existe entre el circuito
rectificador me media onda y onda completa._____________________ _________________________________________________________
2.7 DIODOS ESPECIALES Fuera de los diodos usados en las fuentes de alimentación, en el comercio se encuentra otro tipo de diodos para aplicaciones especiales en electrónica. 2.7.1 Diodo zener. Son diodos construidos para trabajar en polarización inversa con una tensión igual o mayor a la ruptura inversa. Cuando el diodo obtiene la tensión inversa empieza a conducir corriente, pero mantiene constante la tensión en sus terminales, debido a que la resistencia del diodo varia en sentido inverso. Si la tensión aumenta, solo se logra que se aumente la corriente en sus terminales, pero el voltaje permanece constante. La función del diodo zener es mantiene constante la tensión del circuito aunque esta sea mayor que la tensión zener. Ejemplo si a un circuito le colocamos un diodo zener en paralelo con la carga; el diodo mantendrá constante en la carga FIG 21. En la figura 21 se puede observar el símbolo del diodo zener. El voltaje de entrada es de 15 voltios, pero el voltaje de la resistencia de carga es de 12 voltios igual al voltaje del zener. Esta cualidad del zener lo hace apto para estabilizar voltajes de referencia de fuentes para circuitos complejos. 2.7.2 Diodos LED. Son los diodos normalmente conocidos como diodos emisores de luz.
Rc
Z =12 V
+
-
VI = 15V Vs=12V
FIG 21
El diodo LED se debe conectar en dolarización directa a una tensión de 1.5 a 3 Voltios y una tensión inversa no superior a 5V. Cuando un diodo es polarizado directamente, la recombinación de las cargas en la juntura, liberan parte de la energía en forma de ondas electromagnéticas con una frecuencia que depende del material usado. Holanyak en 1952 creo una juntura con arsénico de Galio y fósforo que podía emitir luz roja. En la FIG 22 se muestra la estructura física y el símbolo del diodo LED. 2.7.2 Diodo Varactor. Este diodo también es llamado capacitor variable por voltaje, varicap, epicap o diodo de sintonización. Ampliamente utilizados en televisión y en radio. Cuando un diodo de silicio se polariza inversamente, se asemeja a un capacitor; la región (P) y (N) son las placas del capacitor y la región de agotamiento se comporta como el dieléctrico. El circuito externo puede cargar esta capacitancía removiendo los electrones de valencia del lado (P) y agregando electrones libres al lado (N). La acción es igual a remover los electrones de una placa del capacitor y ponerlos en la otra. Con aumentar el voltaje inverso, la zona de agotamiento se hace más ancha y al capacitancía disminuye. La idea es que la capacitancía del diodo varactor se controla con voltaje. 2.7.3 Diodos Varistores. Dispositivo electrónico, como dos diodos zener
conectados por los cátodos. La función principal es proteger los equipos electrónicos. Se conectan en paralelo en la línea para que recorte los picos transitorios.
FIG 22
3. TRANSISTORES DE UNION Inventado en 1951 por Shockley, dejando atrás los equipos electrónicos que funcionaban con válvulas al vació. La invención del transistor trajo consigo el desarrollo de la electrónica, haciendo que los quipos sean más baratos, livianos, menos consumidores de energía, más durables y resistentes por ser más compactos. Básicamente un transistor está formado por dos uniones, una unión emisor – base y la otra unión base - colector FIG 23. estas uniones se comportan como dos diodos, el diodo emisor base y el diodo colector base. A diferencia del diodo semiconductor que tiene dos regiones (P) y (N), el transistor tiene tres regiones (N P N) o (P N P) FIG 23, fabricadas en material silicio o germanio.
Como se puede apreciar en la figura 23 el transistor se encuentra formado por tres bloques semiconductores de silicio o germanio y un Terminal de conexión externa. A cada uno de estos terminales se le asigna un nombre: Emisor (E), Base (B) y Colector (C). Para el estudio del transistor nos referiremos al transistor de silicio y en especial al de tipo NPN aunque el tipo PNP es el complemento del NPN; en el transistor PNP los portadores mayoritarios en el emisor son huecos en vez de electrones libres. Esto significa que intervienen corrientes y voltajes opuestos a los del transistor NPN. 3.1. FUNCIONAMIENTO La difusión de electrones libares dentro del transistor produce dos capas de agotamiento de diferente ancho, debido a los diferentes niveles de contaminación de cada una de las regiones, las cuales requieren de 0.7 o 0.3
n n p p p n
FIG. 23
E
B
C E
B
C
voltios de polarización para véncelas en el silicio y germanio respectivamente, FIG 24. Como el emisor se encuentra altamente contaminado se interna ligeramente en la base, pero la otra capa de agotamiento se profundiza bastante en la base y penetra en la región del colector, dando como resultado que la barrera de protección del emisor es mas pequeña que en el colector, FIG 24. El transistor en estas condiciones no presta ningún servicio, por lo que se hace necesario proporciónale voltajes a sus terminales mediante el método de polarización del transistor, lo cual se hace de la siguiente forma: Al diodo emisor - base se le garantiza una polarización directa y al diodo colector – base una polarización directa. 4. EL CONDENSADOR
El condensador es un componente electrónico formado por (2) dos placas metálicas, separadas por un aislante muy delgado llamado dieléctrico.
El dieléctrico puede ser de papel, aire, cerámica, plástico, mica, papel impregnado en aceite.
Si se conecta un condensador a una fuente de corriente continua, los electrones circularan del lado negativo de la fuente hacia la placa (N) del condensador y otros regresaran por la fuente desde la placa (P) a la placa (N). FIG 23.
Terminal de conexión
Placas Metálicas
Dieléctrico
FIG. 23
C
- - - - - + - - - - - + - - - - - +
- + - -
- + - -
- + - -
+ + - - - - - - + + - - - - - - + + - - - - - -
FIG 24
E
B
Cuando la diferencia de potencial entre las placas sea igual al de la fuente, la circulación de electrones cesara; en estas condiciones el condensador se encuentra totalmente cargado. Los electrones del material dieléctrico no circulan de una placa a otro aunque sean atraídos por la placa (P) y repelidos por la placa (N) debido a que los electrones de un material buen aislador se mantienen firmemente atraídos por el núcleo sus átomos; Pero su orbita si será deformada, convirtiéndose en una elipse. La atracción electrostática de la carga de las placas (N y (P) hace que la deformación elíptica de la orbita permanezca cuando se suspende la fuente de energía del condensador permaneciendo cargado. Si al condensador se le conecta en paralelo una resistencia, los electrones circularan de la siguiente forma, saliendo de la placa (N) hacia la placa (P) hasta quedar distribuidos por igual en el circuito. A medida que disminuye la atracción entre las placas, la elipse de los a electrones de los átomos del dieléctrico retornaran a su estado natural (forma de anillo). En términos generales se puede decir que un capacitor tiene la propiedad de almacenar energía eléctrica y devolverla a un circuito. A este fenómeno se le llama capacitancía. La capacitancía es la propiedad de un circuito o componente del mismo que permite almacenar energía eléctrica en forma electrostática.
