Marcha Libre

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS AVANZADAS “UPIITA” ELECTRÓNICA DE POTENCIA

GRUPO: 3MV9 PRÁCTICA 2 DIODO DE MARCHA LIBRE

14/02/19

ALUMNOS: CHÁVEZ CHÁVEZ HUMBERTO CID CABRERA LUIS ANGEL CORTEZ CONDE ALEXANDER

PROF. PEZA TAPIA JUAN MANUEL

Contenido OBJETIVO ....................................................................................................................................... 3 MATERIAL EMPLEADO................................................................................................................... 3 INTRODUCCIÓN TEÓRICA .............................................................................................................. 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL ....................................................................................................... 7 RESULTADOS EXPERIMENTALES.................................................................................................... 9 ANÁLISIS DE RESULTADOS........................................................................................................... 10 CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 11 REFERENCIA................................................................................................................................. 12

OBJETIVO Implementar un circuito que muestre la importancia del diodo de marcha libre para corregir la conmutación del diodo rectificador.

MATERIAL EMPLEADO        

Bobina Puntas BNC-caimán Cables o jumpers Protoboard Generador de funciones Resistor de 330 Ω Diodos rectificadores 1N4004 Osciloscopio

INTRODUCCIÓN TEÓRICA En 1904, John Ambrose Fleming amplió los esfuerzos de Edison para desarrollar el primer diodo, denominado comúnmente como válvula de Fleming, que de hecho es el primero de los dispositivos electrónicos. Este dispositivo actuará idealmente como una trayectoria de baja resistencia a la corriente en una dirección y como una trayectoria de alta resistencia a la corriente en la dirección opuesta, algo muy parecido a la manera en que un interruptor pasa corriente en una sola dirección. Un conjunto típico de las características de un diodo se muestra en la ilustración 1. Sin cálculos matemáticos, la cercanía de la curva al eje de voltaje para valores negativos del voltaje aplicado indica que ésa es la región de baja conductancia (alta resistencia, interruptor abierto). Observe que esta región se extiende hasta aproximadamente 0.7 V positivos. Sin embargo, para valores del voltaje aplicado mayores que 0.7 V, la elevación vertical en las características indica una región de conductividad elevada (baja resistencia, interruptor cerrado). La aplicación de la ley de Ohm verificará las conclusiones anteriores.

Ilustración 1: Características de un diodo semiconductor Por lo general, resulta sencillo hasta cierto punto determinar si un diodo se encuentra en la región de conducción o de no conducción, al observar la dirección de la corriente ID que se establece mediante un voltaje aplicado. Para el flujo convencional (opuesto al flujo de electrones), si la corriente resultante del diodo tiene la misma dirección que la punta de la flecha del símbolo del diodo, éste está operando en la región de conducción, según se describe en la ilustración 2. Si la corriente resultante tiene la dirección opuesta el circuito abierto equivalente es el apropiado.

Ilustración 2: Diodo ideal

En la siguiente ilustración podemos observar de manera detallada la forma en como se comporta un diodo compuesto de silicio como su material semiconductor. Debemos poner atención en la tensión de umbral que permite el flujo de corriente, pero también debemos ser cuidadosos y checar que tensión de pico inversa soporta nuestro dispositivo.

Ilustración 3: Características del diodo conductor de silicio

Existen ciertas partes de datos que, por lo general, presentan los fabricantes en las hojas de especificaciones de diodos. Una de estas cantidades que todavía no se ha considerado es el tiempo de recuperación inverso, y se denota mediante

trr. En el estado de polarización directa, se mostró antes que existe un gran número de electrones del material tipo n que pasan a través del material tipo p, y un gran número de huecos en el tipo n, lo cual es un requisito para la conducción. Los electrones en el tipo p y los huecos que se difunden hacia el material tipo n establecen un gran número de portadores minoritarios en cada material. Si el voltaje aplicado se invierte para establecer una nueva situación de polarización inversa, idealmente se desearía ver que el diodo cambia de forma instantánea, del estado de conducción al de no conducción. Sin embargo, debido a que un gran número de portadores minoritarios se localizan en cada material, la corriente del diodo se invertirá como se muestra en la ilustración 4, Y permanecerá en este nivel susceptible de ser medido durante un tiempo t, (tiempo de almacenamiento) que requieren los portadores minoritarios para retornar a su estado de portadores mayoritarios dentro del material opuesto. En esencia~ el diodo permanecerá en el estado de circuito cerrado con una corriente l inversa determinada por los parámetros de la red. En algún momento, una vez que ha pasado esta fase de almacenamiento, la corriente se reducirá en nivel hasta llegar a aquel asociado con el estado de no conducción. Este segundo periodo se denota mediante t, (intervalo de transición). El tiempo de recuperación inversa es la suma de estos dos intervalos: t rr := t s + t{ • Naturalmente, es una consideración importante en las aplicaciones de conmutación de alta velocidad. Casi todos los diodos de conmutación disponibles en el mercado tienen un t rr en el rango de unos cuantos nanosegundos hasta 1 J.1.s. Sin embargo, hay unidades disponibles con un t rr de sólo unos cuantos cientos de picosegundos (10- 12).

Ilustración 4: Tiempo de recuperación inverso

DESARROLLO EXPERIMENTAL Diodo conectado en serie con la bobina Lo primero que hicimos fue el armado del siguiente circuito Donde:

D1 1N4004

R1 330

L1

𝑉𝑝 = 5 𝑉 𝑓 = 100 𝑘𝐻𝑧 𝑅1 = 330 Ω 𝐿 sin 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑓𝑖𝑛𝑖𝑑𝑜

100nH

Conectamos las puntas del osciloscopio y obtuvimos las forma de onda de 𝑉𝑟 𝑦 𝑉𝐿 y posteriormente la del diodo (𝑉𝐷) .

De manera que obtuvimos lo siguiente, donde el canal 1 (señal amarilla) es la forma de onda de 𝑉𝑟 , y el canal 2 (señal azul) muestra la forma de onda 𝑉𝐿

En la siguiente ilustración, se muestra en el canal 1 (amarillo) la señal 𝑉𝑟 , mientras que en el canal 2 (azul) observamos la señal del diodo (𝑉𝐷 )

Con la ayuda de los cursores del osciloscopio, observamos que el periodo de diferencia es de 1.9 𝜇𝑠. Para obtener el ángulo de desfasamiento, realizamos un sencillo cálculo. 1.9 𝜇𝑠 − − − −𝑥 10 𝜇𝑠 − − − 360° Con ésta sencilla regla de 3, tenemos que el desfasamiento es de 68.4° Para el siguiente circuito, colocamos el diodo en paralelo con la resistencia y la bobina, como se puede observar a continuación. El diodo en esta configuración, se denomina diodo de marcha libre. D1 1N4004

R1 330

L1 D2

100nH

1N4004

De manera que obtuvimos la siguiente señal en el osciloscopio. Donde la señal del canal 1( amarilla) es 𝑉𝐷 y la del canal 2 (azul) es la de la resistencia (𝑉𝑅 )

Realizando el mismo procedimiento para encontrar el ángulo de desfasamiento, tenemos lo siguiente 700 𝑛𝑠 − − − −𝑥 10 𝜇𝑠 − − − −360° De modo que el resultado es 25.2°

RESULTADOS EXPERIMENTALES DIODO SERIE PARALELO

ÁNGULO 68.4 25.2

ANÁLISIS DE RESULTADOS A través de la figura 1 se puede visualizar que el diodo rectificador, después de pasar el ciclo positivo de la señal de entrada y al no contar con el diodo de marcha libre, tiende a apagarse más tarde e incluso en el ciclo negativo donde los elementos como lo son la resistencia y el inductor se encuentran en serie.

Figura 1. Gráfica del diodo rectificador de media onda sin diodo de marcha libre.

Comparando la figura 1 con la figura 2, se nota instantáneamente que la forma de onda del diodo rectificador se apaga en un lapso más corto. Esto debido al diodo de marcha libre, que se conecta en paralelo al inductor y a la resistencia, impidiendo así la transición de onda del ciclo negativo para que el diodo rectificador trabaje bajo los parámetros a los que usualmente está diseñado y no haya un retorno de corrientes o tensiones eléctricas.

Figura 2. Gráfica de diodo rectificador de media onda con diodo de marcha libre.

Por último, se puede visualizar en la figura 3, donde las señales están dadas por la carga (amarillo) y el inductor (azul), que el sistema tiene una respuesta subamortiguada debido al inductor, que incluso genera un armónico por el tipo de señal donde a su vez se está descargando cuando la carga deja de consumir energía de la fuente de la entrada.

Figura 3. Gráfica de la carga con respecto al amortiguamiento del inductor.

CONCLUSIONES Humberto Chávez Chávez Dentro del diseño de un circuito electrónico es muy importante tener el conocimiento de manera completa de todos los dispositivos que conforman nuestra red, para así poder tener en mente la manera en que se debe comportar el sistema, y si hay una falla poder saber de donde partir o donde revisar. El uso de diodos es algo relativamente sencillo que desde cursos anteriores los revisamos, pero al analizar sus características más a fondo y aprender a remediarlas, como lo hicimos en está práctica, es lo que lleva a dar el salto de calidad y comenzar a diseñar circuitos a conciencia. El tiempo de conmutación del diodo en un factor al cuál nunca le había dado la importancia que requiere, se daba por entendido que la conmutación era instantánea. En esta práctica vimos que al introducir componentes que almacenan energía tal como condensadores o bobinas, debemos tener cuidado ya que por sus mismos efectos pueden meter ruido en otros elementos y dar un comportamiento no deseado en el sistema.

Cid Cabrera Luis Angel Con esta práctica queda claro la importancia de un diodo rectificador de media onda donde a través de una señal sinusoidal en ocasiones no logra apagarse en el ciclo positivo donde regularmente está diseñado, esto puede corregirse a través de un diodo de marcha libre que impide los regresos de corriente y/o tensión sobre el diodo rectificador, haciendo así un uso correcto de la energía transmitida sobre la carga. Cortéz Conde Alexander El uso del diodo de marcha libre es muy importante cuando estamos buscando que la bobina se descargue correctamente, pues si no lo colocamos, y en algún momento abrimos el primer circuito que se mostró, la bobina podría crear un arco en donde se abrió el circuito, y esto es precisamente lo que tratamos de evitar con el diodo de marcha libre. Es importante que sepamos interpretar las señales obtenidas en el osciloscopio, pues a través de ellas podemos observar el comportamiento de nuestro circuito.

REFERENCIA BOYLESTAD, ROBERT L. y NASHELSKY, LOUIS, Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, 8ª.ed, Ed. PEARSON EDUCACIÓN, México, 2003.