Aplicacion De Diodos

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Aplicación de los diodos Hamilton silva, Steven Ruiz, Camilo Ibáñez IEEE, y L. L. Autor, , IEEE universidad Santo Tomas secciona Tunja , Av. universitaria, [email protected] [email protected] , Wilson.ibañ[email protected] .)  Resumen—En este pre informe se podrá apreciar la aplicación de los diodos en este caso serán 6 circuitos en donde también se encontrará sus cálculos y graficas teóricas y experimentales Abstract--In this pre report you can see the application of the diodes in this case will be 6 circuits where you will also find your calculations and theoretical and experimental graphs I. INTRODUCTION

E

ste documento dará una explicación concreta de los temas vistos en el área de electrónica uno, obteniendo en la practica el resultado de tres puntos los cuales tienen un total de 6 circuitos los cuales son(cuadriplicador de voltaje, rectificador de onda completa con puente de diodos, limitadores y sujetadores) en donde se analizara la carga, la descarga, y se calcularan los voltajes pico rectificado, resistencias de carga valores de las capacitancias, voltaje de rizo, factor de rizado, voltaje en corriente directa esto con el fin de ser mas preciso en el montaje del circuito y mayor economía.

In th is pr eII. MARCO TEÓRICO re A. Qué es y cómo está compuesto un diodo. pEl diodo es el dispositivo de la electrónica básica que únicamente permite el flujo de corriente eléctrica en un solo or sentido a través de sus dos terminales (ánodo y cátodo). Por lo un diodo se puede usar de dos maneras, como un ttanto, cortocircuito y como un cable cualquiera que deja pasar corriente. y o u wi Fig. 1. Composición física de un diodo. ll fi n d a br *

Revista Argentina de Trabajos Estudiantiles. Patrocinada por la IEEE.

B. Aplicaciones generales (tipos de circuitos) B.1. Multiplicadores de voltaje. El multiplicador de voltaje se utiliza usualmente con diodos, su finalidad es llevar un voltaje o tensión inicial a multiplicarse por dos, tres y hasta cuatro veces. Esto se hace desde una fuente de AC a una fuente de DC de mayor voltaje, como ya se ha mencionado, diodos, y condensadores. Estas aplicaciones en los diodos son bastante usadas para generar altos voltajes de corriente directa. En este tipo de circuito se utiliza comúnmente el principio de carga en paralelo de capacitores, a partir de la entrada de una señal de Ac o corriente alterna, con lo cual, agregando este voltaje de señal alterna se da paso a un voltaje en corriente directa más alto que el valor de voltaje que puede suministrar la fuente

Fig. 2. Cuadriplicador de voltaje.

Tomado de …

B.2. Rectificadores. Este tipo de aplicación se utilizan bastante en el momento de transformar corriente alterna a corriente continua, estos son comúnmente utilizados en la industria para alimentar sistemas que requieran grandes potencias. Existen dos tipos principales de esta clase de circuitos, rectificadores de media onda y de onda completa.

2.1. Rectificador de media onda. Esta clase de circuitos son usados para eliminar la parte positiva o negativa de una señal de corriente alterna, su voltaje es positivo y se convierte en una señal directa de voltaje. En el entra corriente alterna en el circuito la cual se rectifica con el diodo, permitiendo pasar un semi-ciclo de la corriente que puede ser el semi-ciclo positivo o negativo.

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Fig. 5. Composición física de un condensador. Fig.3. Rectificador de media onda. B.2.2. Rectificador de onda completa. En este laboratorio se utilizará específicamente para el último ejercicio, un rectificador de onda completa con puente de diodos, este circuito es utilizado (al igual que con el rectificador de media onda) sirve para convertir corriente alterna en corriente continua. El puente rectificador está formado por 4 diodos.

La composición basta con disponer dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico, esto ocasiona que el dieléctrico que es un mal conductor pueda dar cabida a un campo eléctrico en su interior si es sometido a energía externa a este material. Con respecto a la asociación de condensadores en distintos tipos de circuitos se tiene que su equivalencia es: En serie: En paralelo:

Fig.4. Rectificador de onda completa con puente de diodos

1/Ceq= 1/C1 + 1/C2+…1/Cn. Ceq= C1 + C2+…Cn.

(1) (2)

D. Carga y descarga de un condensador. En la carga de un condensador se tiene que las dos superficies se cargan con el paso del tiempo, la relación entre dicha carga y la diferencia de las placas o las superficies del condensador le dan el nombre de capacitancia o diferencial de potencial. Así se tiene que una carga acumulada por el condensador se determina por:

B.3. Limitadores de voltaje. C=q/ En esta clase de circuitos, una forma sencilla de hacer un limitador de tensión de salida, consiste en colocar en paralelo con la resistencia de realimentación un diodo Zener, que se pone a conducir cuando la tensión de salida supera la tensión de este mismo, pero no es ajustable, valor que se puede ajustar por una resistencia o potenciómetro.

V

(3)

La unidad de medida para los condensadores es el faradio. La carga de un condensador se toma desde la figura 6, se considera un circuito RC el cual da la sentido y coherencia a la hora de hallar las gráficas de voltaje en un condensador.

Fig. 6. Circuito RC para carga y descarga de un condensador ideal.

El producto de RC tiene componente de tiempo y recibe el nombre de Tao o constante de tiempo. Constante de tiempo tao para la carga del condensador. Fig. 4. Limitador de voltaje. C. Qué y cómo está compuesto un condensador. El condensador es un dispositivo electrónico que es utilizado para almacenar energía. Compuesto de dos terminales acumula energía en forma de campo eléctrico.

Ƭ=RC

(4)

En cuanto a la carga y descarga del condensador se tienen sus respectivas formulas. Ecuación de descarga del condensador. V= Vo (1-e^(-T/RC)) Ecuación de descarga del condensador.

(5)

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V= Vo e^(-Ƭ/RC)

(6)

III. CALCULOS TEÓRICOS Con esta breve explicación podemos despejar de la fórmula de descarga de un condensador despejando el valor de la resistencia de carga. V/Vo=-t/RC

(7)

Donde el voltaje del condensador es V (5.9), un resultado aproximado al voltaje de la fuente, (Vo) la cual es de 6V. De igual forma se asume la frecuencia y la capacitancia. Cada una con 60Hz y 10uf respectivamente. Con esto tenemos los valores para poder despejar la resistencia de carga para el circuito en cuestión. Para despejar R necesitaremos aplicar logaritmo natural en ambas partes de la igualdad y asumir los valores de voltaje, en este caso 6Vp. Con estos valores se obtiene. Ln(V/Vo) = -t/RC

(8)

Despejando la resistencia tenemos. R= -t/Ln(V/Vo) C

(9)

Estos datos teóricos se utilizaron para todos los ejemplos del laboratorio (Limitador y sujetador de voltaje. Limitador y sujetador de voltaje (negativo), limitador polarizado con offset, limitador polarizado). C. Rectificador de onda completa con puente diodos. Para este tipo de rectificadores se usa comúnmente un bobinado de relación 10 a 1, esto debido a que este tipo de rectificadores se utilizan en convertidores de señales ac en dc y producen un factor de rizo determinado. En el caso de este ejercicio no se utilizó un bobinado de relación 10 a 1 [1], en cambio se utiliza una fuente de voltaje ac con 5Vrms los cuales arrojan un voltaje pico de 7V aproximadamente debido a que el voltaje pico es VRMS*√2. Con esto tenemos el voltaje pico y podemos empezar a plantear las ecuaciones del circuito. El voltaje de onda completa pico sin filtrado es Vp(rect) = Vp – 1.4V (10) [1] Vp(rect) = 7V - 1.4 == 5.6V

T= 1/60Hz == 16*10^-3

La frecuencia de un voltaje pico rectificado de onda completa es el doble de la frecuencia inicial, es decir, la frecuencia utilizada es de 60 Hz*2= 120Hz, de igual forma se asume el valor de la capacitancia, siendo 10uf. Con la frecuencia establecida podemos calcular el voltaje de rizo pico a pico aproximado a la salida es

Reemplazamos T en (9)

Vr(pp) = (1/f*RL*C)*Vp(rect) (11) [1]

R= -16*^-3/Ln(5.9V/6V) 10*^-6

Reemplazando los valores hallados

R= 99.6K==100kΩ

0.1= (1/120Hz* RL¨*10uf)*5.6V

Se aproxima el valor debido a que la resistencia comercial más cercana es de 100k. Con estos valores ya podemos hacer la respectiva simulación y el análisis de onda del cuadriplicador de voltaje.

Despejando RL

Usando la ecuación elemental de f= 1/T tenemos 60Hz=1/T

B. Limitadores, Sujetadores y principio del offset. Para los 4 ejercicios propuestos en este inciso se utiliza el mismo principio para los 4, siguiendo el ejemplo del cuadriplicador de voltaje. Se utiliza la ecuación de descarga (5) de los condensadores y se elige un valor arbitrario (capacitancia o resistencia) conveniente para la mayor eficiencia del circuito. Se asumen valores de voltaje inicial. Se asumen valores de voltaje como en el cuadriplicador, siendo V= 5V y Vo= 4.9V y se toman 60Hz de frecuencia en el circuito. Con esto podemos deducir o calcular el valor de la resistencia de carga de los ejercicios en cuestión. Utilizando (9) tenemos el valor de la resistencia de carga. R=-t/Ln(4.9/5)*10uf == 16.6*10^-3/Ln(4.9/5)*10uf == 83kΩ

RL= 1/120Hz*0.1*10*10^-6 == 8.3kΩ Ahora podemos hallar Vr(pp) Vr(pp)= (1/120Hz*8.3kΩ*10uf)*5.6V Vr(pp) = 0.1V El valor del voltaje CD aproximado del voltaje de salida se determina por VCD = (1-(1/2f*RL*C) Vp(rect) (12) [1] VCD == (1(1/240Hz*8.3kΩ*10uf)) == 5.31V VCD es el voltaje aproximado de corriente directa Ahora para determinar si los cálculos están en el rango adecuado se calcula el factor de rizo el cual es

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r = Vr(pp)/VCD == 0.1V/5.31V == 18*10^-3 o 1.8% Según [1] el factor de rizo que debe operar un rectificador de onda completa debe estar en el rango de 0 a 5 % dependiendo de sus factores, es decir que el rectificador en cuestión funciona correctamente.

IV. SIMULACIONES 2. RECTIFICADOR HONDA COMPLETA 1. CUADRIPLICADOR VOLTAJE En la imagen que se verá a continuación se mostrará el circuito el cual consta de un voltaje de 4.25 Vrms y cuatro diodos 1n4001, cuatro condensadores de 10µf y una Resistencia aproximadamente de 100kΩ.

En la imagen que se verá a continuación se mostrara el circuito el cual consta de un voltaje de 4.89 Vrms una Resistencia de carga de 8.3kΩ un condensador de 10µF y cuatro diodos 1n4001 los cuales forman un Puente rectificador.

como se puede observara al inicio hay un voltaje alterno el cual está dado por una Fuente Ac de color verde luego de esto pasa por un Puente rectificador el cual dejara la señal en una sola dirección en este caso la dejara únicamente positiva finalmente al llegar al condensador esta quedara como una señal DC. Como se observa en la siguiente grafica el cuadriplicador de voltaje es un circuito que permite tener un nivel de continua igual a un factor entero del valor pico de una señal de entrada en este caso se representa con la señal de Amarillo. El principio de operación de este se da por la carga de los condensadores los cuales dejan la señal en dc a su vez es proporcional a la habilitación de los diodos en cascada.

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3. SUJETADOR En la imagen que se muestra a continuación se encontrara un circuito el cual está conformado por una Fuente AC de 5Vp, un condensador de 10µF, una Resistencia 83KΩ y un diodo 1n4001.

V. IMPLEMENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS En la implementación de cada circuito se siguió al pie de la letra las simulaciones, es decir, para cada circuito en cuestión construido en el laboratorio (implementación en protoboard). En esta fase del laboratorio se utilizaron los siguientes materiales: Generador de funciones digital o análogo. Osciloscopio digital o análogo. Conectores para osciloscopio (punta BNC). Multímetro (opcional). Resistencias de 8.3k, 100k y 83k. 2 protoboard de 830 puntos. 9 Condensadores de 10uf. Cable para protoboard (aproximadamente 1m). 12 diodos 1N4001. A. Cuadriplicador de voltaje. Para el cuadriplicador tenemos la simulación o circuito inicial, para ello se necesitaron 4 diodos 1N4001 y 4 condensadores de 10uf y una resistencia de carga calculada previamente de 100kΩ, conectados en la protoboard correctamente da lugar al primer proceso o punto del laboratorio.

4. LIMITADOR Como se puede observar, en la figura tenemos los mismos cálculos del sujetador de voltaje, ya que, como se explicó anteriormente, se pueden usar los mismos valores de fuente de alimentación alterna, resistencia y condensador, con la única diferencia que la polaridad del diodo está invertida, para que, en vez de servir como sujetador de voltaje, haga la función requerida como un limitador de voltaje.

Ya construido el circuito se deja la frecuencia y voltaje pico según los cálculos del cuadriplicador de voltaje. En el generador de funciones digital se fijan 60 Hz de frecuencia y 4,3VRMS o 6 voltios pico a pico.

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1N4001 y una resistencia de 83k. Una vez montado el circuito en la protoboard siguiendo las simulaciones circuitales se tiene el circuito en físico.

Después de haber fijado la frecuencia y el voltaje pico conectamos la salida del generador de frecuencias al circuito, el voltaje al negativo y positivo del circuito. Una vez hecho esto se calibra el osciloscopio con ambos canales en cero para poder diferenciar correctamente ambas ondas del cuadriplicador, la entrada y la salida respectivamente. Después de construido el circuito del sujetador se conecta de la misma forma que el cuadriplicador de voltaje, una vez calibrado el generador de funciones a la misma frecuencia que el cuadruplicado (60 Hz) esta vez conectando los terminales del diodo a la punta BNC del osciloscopio, esto con el fin de poder observar la señal del sujetador de voltaje. Así mismo se suministran 5Vp, este valor fue asumido y posteriormente calculado su resistencia.

En la figura anterior se evidencia la señal de entrada o Vin de 6 Vp y la señal de salida (conectada a la resistencia de carga) debidamente cuadruplicada, según datos teóricos el valor del voltaje cuadruplicado debería ser de 21.3V, lo que se aproxima en la práctica ya que es de 20.8 V aproximadamente, además la señal cuadruplicada es similar a las gráficas de simulación (Fig. 8).

Limitadores y sujetadores de voltaje. Para los cuatro casos de limitadores y sujetadores se dieron 2 circuitos, un limitador y un sujetador, debido a que cada circuito muestra el mismo comportamiento se decidió por optimizar y realizar un limitador y un sujetador.

Sujetador de voltaje. Para el sujetador de voltaje se realiza el mismo procedimiento, usando un condensador de 10uf, un diodo

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Limitador de voltaje. Para el limitador se usó el mismo principio que en el sujetador, pero con la única (pero no menos importante) variación en el circuito, la polaridad del diodo, que, usando una fuente de 5Vp, una resistencia de 83kΩ y un diodo 1N4001.

Ya construido el rectificador se conecta el circuito al generador de funciones con los valores hallados y la frecuencia usada a lo largo del laboratorio, 60Hz.

De esta manera se tiene la representación grafica en el osciloscopio, que hace la “operación” inversa del sujetador de voltaje, omitiendo la onda o señal de entrada Vin para poder ser apreciada de la mejor manera.

Rectificador de onda completa con puente de diodos. Para el rectificador de onda completa se asumieron los valores de capacitancia o condensadores, de 10uf y una fuente de 7Vp. La resistencia de carga se dio lugar con los cálculos matemáticos expuestos a lo largo del informe, la cual arroja un valor de 8.3kΩ. con estos valores, 4 diodos, un condensador y la resistencia de carga en paralelo al condensador se tiene el circuito en físico.

Como se evidencia en la figura anterior se tiene una señal resultante de rizado (señal roja) que evidencia la correcta carga y descarga del condensador en cuestión, lo que significa que el rectificador funciona correctamente. Se dan dos señales debido a que al canal uno es conectada la señal de entrada y al canal 2 la señal de salida, la señal roja es el rizado y la resta de estas dos señales, cosa que un osciloscopio digital puede hacer con la función MATH. Esta situación se da debido a que el osciloscopio solo tiene una tierra y la señal de entrada y de salida deberían tener distintos polos de tierra (debido a que una señal es alterna y la otra directa) que en este caso se pudo evidenciar después de varios intentos de calibración de las ondas y una comprensión teórica previa.

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VI. CONCLUSIONES  Inicialmente los cálculos teóricos no coinciden con los prácticos, ya que la fuente dela plataforma multisim es ideal. Por lo tanto, fue necesario poner una resistencia de 50Ω en serie.  Se pudo observar también que a mayor resistencia de carga en el cuadriplicador se evidencia un mejor comportamiento en la onda generada.  Se debe tener en cuenta que un osciloscopio digital no posee tierras diferentes a las entradas de cada canal, por lo tanto, se debe tener cuidado con el rectificador de onda completa ya que puede presentar problemas a la hora de realizar la práctica.

VII. REFERENCIAS [1] Á. F. García, «ehu.es,» Curso Interactivo de Física en internet, 23 octubre 2015. [En línea]. Available: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/elecmagnet/condensador/r c/rc.html. [Último acceso: 1 mayo 2019].

Steven Ruiz: Nacido en 1996 en la ciudad de Tunja Boyacá vivió en umbita Boyacá, donde realizó sus estudios de primaria y secundaria en el colegio san Ignacio donde se graduó como bachiller técnico en comercio, en el año 2013 se traslada a vivir a la ciudad de Tunja donde actualmente se encuentra estudiando ingeniería electrónica en la universidad santo tomas.

[2]T. L. Floyd, Dispositivos electrónicos, octava edición, Ciudad de México: Pearson-Prentice Hall, 2008. [3]U. d. Málaga, «web personal,» Departamento de física aplicada, 1 agosto 2014. [En línea]. Available: http://webpersonal.uma.es/~jmpeula/carga_y_descarga.html. [Ultimo acceso: 28 Marzo 2019].

Bibliografía.

Hamilton silva: Nacio el 21 marzo de el año 2000 en la ciudad de Duitama,Boyacá estudio en el colegio salesiano de Duitama desde el año 2005 hasta el año 2012 donde curso desde el grado jardín hasta el grado octavo de allí inicio sus estudios en el colegio coperativo cooservicios en donde salio con un técnico comercial y financiero finalmente ingreso a la universidad santo tomas en donde inicio la carrera de ingeniería electrónica y donde sigue vigente.

Camilo Ibáñez: Nacido en 1997 en la ciudad de Tunja Boyacá realizo sus estudios de primaria y secundaria en el colegio de Boyacá de la ciudad de Tunja se graduó en el año 2015 actualmente estudia ingeniería electrónica en la universidad Santo Tomas.