UNIVERSIDAD FERMÍN TORO VICERECTORADO ACADÉMICO
DECANATO DE INGENIERIA ESCUELA DE ELÉCTRICA
SEDE CABUDARE
Shearly Achji Adjam Ricardo Ros
Lab. Electrónica I Saia “A”
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA I
PROYECTO 2
SIMULACIÓN: Comportamiento del Diodo Zener y Rectificador de Onda
Completa.
1. ANÁLISIS DEL DIODO ZENER COMO COMPONENTE.
1. Dibujar en el simulador PROTEUS el siguiente circuito:
VI0.5V
R1
220
DZ1N4733A
+88.8
Volts
+88.8
mA
5.1V0-20Vdc
GND
2. Ajustar los valores de Vi, proceda a simular y anote en la Tabla 1 los
valores de IZ y VZ (Z, de “zener”: sentido inverso).
TABLA 1
Vi(V) 0 0.5 1 2.5 4 5.1 8 10
IZ(mA) 0 0 0 0 0 0.52 13 21.9
VZ(V) 0 0.5 1 2.5 4 4.99 5.13 5.19
3. Invertir el diodo, repita el paso 2, anote en la Tabla 2 los valores de IF y
VF (F, de “forward”: sentido directo).
TABLA 2
Vi(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.5 2
IF(mA) 0 0.01 0.53 1.31 2.14 2.99 5.15 7.34
VF(V) 0 0.2 0.28 0.31 0.33 0.34 0.37 0.39
4. En el informe escrito dibujar la gráfica de las características Tensión-
Corriente, con los valores obtenidos en las Tablas 1 y 2. Escriba las
conclusiones.
Gráfica de la Región Polarizada Inversamente
0 1 2 3 4 5 60
5
10
15
20
25
Gráfico 1
Vz (v)
Iz (m
A)
Gráfica de la Región Polarizada Directamente
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.450
1
2
3
4
5
6
7
8
Gráfico 2
Vf (v)
If (m
A)
Curva Característica del diodo Zener
En las graficas del circuito 1, se pueden observar el comportamiento del
mismo tanto en la región de polarización inversa como en la región de polarización
directa.
Como es de esperarse, en la región de polarización inversa, el diodo no
conduce corriente en tanto la tensión de entrada Vi sea menor que la tensión del
Zener Vz, en esta situación, la tensión del diodo será igual a la tensión Vi. Cuando
la tensión Vi alcanza el valor de Vz, el diodo comenzara a conducir corriente,
manteniendo a su salida niveles muy similares de tensión ante cualquier valor de
tensión de entrada y actuara así como un regulador de tensión o fuente DC con
valor de regulación de aproximadamente Vz, en este caso 5.1V. En contraste, los
niveles de corriente presentaran variaciones importantes ante cualquier variación
de la tensión de entrada.
En el caso de la región de polarización directa, se puede observar que el
diodo Zener se comporta como un diodo convencional, conduciendo corriente
cuando el valor de voltaje presente en el ánodo es superior al valor de voltaje del
cátodo y comportándose como un circuito abierto en caso contrario. La tensión de
salida presentara una ligera caída de aproximadamente 0.7V.
5. En el informe escrito dibuje la curva característica de un diodo Zener de
9V. Explique detalladamente las características.
Curva Característica del diodo Zener de 9V
En la siguiente grafica se puede ver la curva característica de un diodo
Zener de 9V. Al ser utilizado en su región de polarización inversa, el circuito se
comportará como un regulador de voltaje de 9V cuando la tensión de entrada en el
Zener sea superior a este valor, esto quiere decir que ante cualquier tensión de
entrada, la tensión de salida seguirá siendo aproximadamente igual a 9V en tanto
que la corriente si presentará variaciones importantes en su valor.
Por otra parte, el diodo se comporta como un diodo convencional en su
región de polarización directa, permitiendo la circulación de corriente cuando la
tensión aplicada al ánodo es superior a la tensión aplicada al cátodo y
comportándose como circuito abierto cuando esta tendencia se invierte.
2. ANÁLISIS DEL RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA I
1. Monte en el simulador PROTEUS el siguiente circuito
TR1
TRAN-2P2S
BR1
1N4007 X 4
R1120
VoVac
N1 : N2
Vi
2. Coloque el Canal_1 (CH1) del osciloscopio virtual en paralelo a la
entrada Vi, y el Canal_2 (CH2) con la resistencia RL (Vo), ajuste los
controles, proceda a simular y dibuje la forma de onda, en Vi y Vo que
luego anexara en el informe escrito.
3. Dibuje el recorrido de la corriente en el puente rectificador en la
siguiente grafica para el ½ ciclo positivo.
VacVi
RL120
BR1
DF10M
3. ANÁLISIS DEL RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA II.
1. Dibuje en el simulador PROTEUS el siguiente circuito
Vo
Vac
N1 : N2
Vi RL100
D1
1N4007
D2
1N4007
TR1
TRAN-2P3S
2. Coloque el Canal_1 (CH1) del osciloscopio virtual en paralelo a la
entrada Vi, y el Canal_2 (CH2) con la resistencia RL (Vo), ajuste los
controles, proceda a simular y dibuje la forma de onda, en Vi y Vo que
luego anexara en el informe escrito.
3. Establezca un cuadro comparativo de: Diferencias, Similitudes, Ventajas
y Desventajas, en cuanto al análisis del rectificador de onda completa I y
II.
Rectificador I Rectificador II
Similitudes Ambos transfieren energía de entrada a la salida durante
ambas mitades del ciclo de entrada
Diferencias El Rectificador I emplea 4 diodos para cumplir su labor
mientras que el Rectificador II emplea solo 2 diodos
El Rectificador I presenta una caída de tensión mayor (el
doble) que la del Rectificador II, ya que en cada semiciclo en
el Recficador I conducen 2 diodos mientras en el
Rectificador II conduce 1 solo diodo
Ventajas Evita la magnetización del
núcleo del transformador
No requiere de
transformación con
derivación central
Solo se hace necesaria la
mitad del numero de
vueltas para el devanado
secundario
No se produce
magnetización neta
permanente
El punto medio del
secundario puede
utilizarse como masa
circuital común entre el
secundario y la carga
Desventaja
s
Si una terminal de la
fuente se conecta a tierra,
ninguna terminal de la
resistencia de carga
puede aterrizarse
Requiere transformador
con derivación central
4. DISEÑO
1. Diseñe un Regulador de Voltaje con un Diodo Zener, simule en la
herramienta PROTEUS, verifique el correcto funcionamiento, luego
cambie el Zener por un I.C. (Circuito Integrado) Regulador y establezca
la comparación.
Vac
N1 : N2
Vi
R1
167.22
TR1
TRAN-2P3S
C12.74mF
R2
155
D51N4733A
D6LED-RED
BR1
DF10M
LABORATORIO
1. Identifica en el siguiente esquema y nombra los elementos que intervienen
en la etapa de:
Entrada.
Reducción de tensión.
Rectificación.
Filtrado.
Regulación.
Salida.
Entrada: El elemento que interviene en la etapa de entrada es la fuente de tensión
AC de 120 Vac.
Reducción de tensión: El elemento que interviene en la etapa de reducción de
tensión es el transformador T el cual atenúa la señal AC de 120 Vac a 12 Vac.
Rectificación: El elemento que interviene en la etapa de rectificación es el puente
rectificador DF10M.
Filtrado: el elemento que interviene en la etapa de filtrado es el capacitor C1, el
cual se encarga de reducir los rizos de salida del puente rectificador.
Regulación: Los elementos que intervienen en la etapa de regulación son la
resistencia R1 y el diodo Zener, que al trabajar con la configuración mostrada
(polarización inversa) funcionara como un regulador de voltaje igual a 5.1V.
Salida: los elementos que intervienen en la etapa de salida son la resistencia R2 y
el diodo LED.
2. Haga los cálculos para el condensador C1 y las resistencias R1 y R2.
Para calcular R2, se debe utilizar la información de la hoja de datos del LED
Rojo TLSU114P donde podemos observar que el dispositivo tiene una caída de
tensión típica de 2V cuando sobre el circula una corriente de 20mA, en tanto la
tensión del diodo zener utilizado es de 5.1V. De esta manera, el valor de
resistencia R2 vendrá dado por la siguiente ecuación:
R2=Vz−VledIL
R2=5.1−220m
R2=155Ω
Por otra parte, podemos ver en el datasheet que la corriente máxima y
mínima de operación del diodo LED es de 30mA y 10mA respectivamente, con lo
cual podemos utilizar estas corrientes como ILmax e ILmin.
Podemos calcular Izmax empleando la siguiente fórmula:
Izmax=I Lmin∗(Vz−Vsmin )+ ILmax∗(Vsmax−Vz)
Vsmin−0.9∗Vz−0.1∗Vsmax
Considerando que el voltaje a la salida del transformador será una
sinusoidal con amplitud de 12V, luego pasara por el puente rectificador donde se
rectificara y sufrirá una caída de tensión de 1.4V (0.7 por cada uno de los dos
diodos que conducen en cada semiciclo) y finalmente pasa por una etapa de
filtrado donde consideraremos en este diseño un valor de rizo de 0.1V, tendremos
que Vsmax y Vsmin tendrán valores de 10.6V y 10.5V respectivamente.
Izmax=10m∗(5.1−10.5 )+30m∗(10.6−5.1)
10.5−0.9∗5.1−0.1∗10.6
Izmax=10m∗(5.1−10.5 )+30m∗(10.6−5.1)
10.5−0.9∗5.1−0.1∗10.6
Izmax=22.89mA
Procedemos a calcular R1 de la siguiente manera:
R1= Vsmax−VzILmin+ Izmax
R1= 10.6−5.110m+22.89m
R1=167.22Ω
La ecuación para el cálculo de la capacitancia en el condensador C1 viene
dada por:
C1= Vsmax−VzΔV∗fp∗R1
Tomando en cuenta que la frecuencia fp es el número de pulsos por
segundo que a su vez es dos veces la frecuencia de la señal de entrada, es decir
120 Hz, tendremos que:
C1= 10.6−5.1120∗0.1∗167.22
C1=2.74mF
3. Con la ayuda del osciloscopio, visualice la forma de onda en el zener.
¿Cuál es su interpretación?
En la simulación se puede observar como la tensión en el diodo Zener
(señal azul) fue transformada de una forma de onda AC sinusoidal a una onda
continua o DC como consecuencia de un proceso de rectificación y filtrado
llevados a cabo en el puente de diodos y el capacitor. Esta señal luego es
regulada al valor de voltaje deseado que es aproximadamente igual a Vz.
4. ¿Cuál es el voltaje de salida en el zener?
5.12Vdc
5. Dibuja el esquema reemplazando el Zener por el IC LM7805 (regulador).
Vac
N1 : N2
Vi
R1
167.22
TR1
TRAN-2P3S
C12.74mF
R2
155
D6LED-RED
VI1
VO3
GN
D2
U17805
C20.33uF
C30.1uF
BR1
DF10M
6. Monte el circuito, repita los puntos 3 y 4 y compárelo con el circuito del
Zener, establezca un cuadro de diferencias y similitudes.
En la simulación se puede observar como la tensión a la salida del
regulador (señal azul) fue transformada de una forma de onda AC sinusoidal a una
onda continua o DC como consecuencia de un proceso de rectificación y filtrado
llevados a cabo en el puente de diodos y el capacitor que luego son inyectados
como onda de entrada en el regulador y este finalmente se encarga de llevar a la
salida el nivel de voltaje deseado.
¿Cuál es el voltaje de salida en el regulador?
5Vdc.
Semejanzas y diferencias entre el circuito con diodo Zener y el circuito con
regulador LM7805.
LM7805 y Zener 1N4733A
Semejanzas Ambos pueden emplearse como regulador de voltaje de 5V
cuando el voltaje de entrada es mayor de 5V
Su voltaje de salida cae por debajo de 5V cuando la tensión
de entrada es inferior a 5V
En ambos casos los voltajes y corrientes de la fuente y la
carga pueden variar ampliamente pero el voltaje a la salida
siempre se mantendrá constante
Diferencias El voltaje de entrada al LM7805 debe ser al menos de 8V
para que el regulador entregue 5V a la salida, mientras que
en el Zener el voltaje de entrada no debe ser tan distinto
para que actue como regulador
El LM7805 requiere capacitores de acople a la entrada y a la
salida, mientras el diodo zener no los requiere
El LM7805 mantiene un valor de voltaje a la salida fijo para
valores de entrada superiores a 8V mientras el voltaje de
salida del Zener presenta ligeras variaciones (en el orden de
unos pocos miliamperes) cuando la tensión aplicada a la
entrada varía.