Universidad De Las Fuerzas Armadas “espe”: Espe-deee Eléctronica I

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ELÉCTRONICA I

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS “ESPE”

ELECTRÓNICA I NRC: 3314-3317(LAB)

Informe de Práctica 1.3: FUENTES DE ALIMENTACIÓN DC NO REGULADAS. DOCENTE: ING. MARGARITA MEDINA

NOMBRES: SANDOVAL DIANA VELASTEGUI WILSON

1 Diana Sandoval S. & Wilson Velastegui R.

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ELÉCTRONICA I INFORME DE PRÁCTICA 1.3 Introducción

La práctica realizada en el laboratorio consta sobre la verificación del comportamiento de un filtro capacitivo en un circuito, se demostró que la señal se vuelve una señal continua y que el valor de rizada mejora conforme el valor del capacitor. Para verificar la importancia del capacitor se varió a uno de valor menor y a otro de valor mayor, demostrando, así como actúa el capacitor y cuál es su importancia. También se varió el valor de relación del transformador para comprobar cómo afecta este valor al voltaje de salida de la señal.

2 Diana Sandoval S. & Wilson Velastegui R.

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AUTORES: Diana Carolina Sandoval Solis Wilson Josue Velastegui Rosero 1. Tema: FUENTES DE ALIMENTACIÓN DC NO REGULADAS. 2. Objetivos: 

Verificar las características de funcionamiento de las Fuentes de Alimentación DC no reguladas, diseñadas por el estudiante.



Analizar los resultados, comparando los datos calculados, simulados y medidos.



Diseñar, implementar y validar un circuito que trabaje con una fuente de alimentación no regulada para obtener un voltaje con poco rizado.

3. Marco Teórico 3.1.

Aplicaciones y usos de las Fuentes de Alimentación DC no reguladas.

BIBLIOGRAFÍA: 

García, V. (3 de noviembre de 2010). FUENTES DE ALIMENTACIÓN Y LABORATORIO.

Obtenido

de

Diarionelectronico

hoy:

http://www.diarioelectronicohoy.com/blog/electronica-practica 

Saavedra, P. T. (31 de mayo de 2011). Fuentes de alimentacion. Obtenido de Blogspot:

http://tiposdefuentesdealimentacion.blogspot.com/2011/05/tipos-

de-fuentes-de-alimentacion.html

3 Diana Sandoval S. & Wilson Velastegui R.

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ELÉCTRONICA I Figura 1 Fuente de alimentación no regulada

La tensión de red de CA (50/60 Hz) aplicada a la parte de entrada se transforma a un nivel inferior y se rectifica posteriormente mediante un rectificador. Seguidamente, un condensador C suaviza la tensión de salida del rectificador. Las dimensiones del transformador dependen de la tensión de salida deseada. Debido al diseño del circuito eléctrico, la tensión de salida depende directamente de la tensión de entrada, lo que a su vez significa que las variaciones en la tensión de red tienen un efecto directo sobre la parte de salida. Puesto que no se efectúa regulación en el secundario, el rizado residual de la tensión de salida se sitúa en el orden de los voltios y se especifica como un porcentaje de la tensión de salida de CC. Debido a la sencillez de su diseño, las fuentes de alimentación no reguladas son muy robustas y duraderas. Su rendimiento aproximado es del 80%. Las fuentes de alimentación no reguladas se emplean principalmente en aplicaciones electromecánicas sencillas que no requieren tensiones de salida exactas, por ejemplo, para alimentar contactores.

3.2.

Ventajas de la utilización de un filtro inductivo.

BIBLIOGRAFÍA: 

Miyara, F. (Diciembre de 2006). Rectificación. Obtenido de FCEIA: http://www.fceia.unr.edu.ar/enica3/rectif.pdf



Spranz, F. (Septiembre de 2006). Filtros Inductores. Obtenido de Library.e: https://library.e.abb.com/public/9146478e6e30e650c12574ec002bec1a/1TXA 114004M0701.pdf

Este circuito exhibe una diferencia esencial con respecto, al de media onda, y es que la corriente por el inductor no se interrumpe nunca. En efecto, de no aparecer el segundo semi ciclo rectificado, la tensión en el inductor seguiría la misma evolución de la tensión de entrada, internándose en la región negativa (como sucedía en el rectificador de media onda). Esto es posible porque por la naturaleza reactiva del inductor, puede tener tensión negativa y corriente positiva. Si ahora permitimos la aparición del segundo semi ciclo rectificado, el diodo D2 se encontrará con una tensión que tiende a ser positiva en su 4 Diana Sandoval S. & Wilson Velastegui R.

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ánodo (la de entrada rectificada) y negativa en su cátodo (la del inductor), por lo tanto estará en condiciones de conducir, inyectando en el inductor una corriente apropiada para mantener las condiciones de continuidad. En ese momento, el diodo D1 dejará de conducir, pues su polarización se volverá inversa, desvinculándose del inductor. En resumen, el inductor estará expuesto, ya sea por uno u otro diodo, a una fuente de tensión ideal correspondiente a una senoide rectificada.

Figura 2 Modelo lineal de rectificador de onda completa con filtro inductivo

Figura 3 Rectificador de media onda con filtro inductivo.

La corriente por el inductor cumple con la condición de que no puede cambiar en forma brusca. Inicialmente la corriente por el inductor es 0, por lo cual la tensión en la resistencia de carga es 0. Al comenzar a hacerse positiva vS, el diodo D comienza a conducir y la corriente por el inductor fluye a través de la resistencia, haciendo que la tensión en la carga vL también suba. Sin embargo, lo hace con cierto retardo, dado que al crecer la corriente por el inductor se establece una caída en éste proporcional a la derivada de la corriente.

Figura 4 Entrada y salida del rectificador de media onda con filtro inductivo.

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ELÉCTRONICA I Figura 5 Rectificador de onda completa con filtro inductivo.

4. 4.1.

Cálculos Diseñe una Fuente de alimentación DC no regulada utilizando la señal proporcionada por la Empresa Eléctrica (Rectificador de Onda Completa, Filtro capacitivo y carga Resistiva), que cumpla con las siguientes

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especificaciones: VDC, IDC, r (factor de rizado). Cada grupo se impone los valores. Variables: R, C, a 𝑉𝐷𝐶 = 20[𝑉]

𝐼𝐷𝐶 = 20[𝑚𝐴] 𝑅= 𝑅=

𝐶=

𝑉𝐷𝐶 𝐼𝐷𝐶

20 = 1𝐾 20 ∗ 10−3 𝑟= 1

5 2√3 ∗ 60 ∗ 1000 ∗ 100

𝑃 = 0.5 [𝑊] 1

2√3𝑓𝐶𝑅

= 96.23[𝑢𝐹]

𝑉𝑜𝑝 = 𝑉𝐷𝐶 (1 + 𝑉𝑜𝑝 = 20 (1 +

𝑟 = 0.5%

𝑉𝐶 = 50[𝑉]

1 ) 2𝑓𝐶𝑅

1 ) = 21.67[𝑉] 2 ∗ 60 ∗ 100 ∗ 10−6 ∗ 1000 𝑉2 = 𝑉𝑜𝑝 + 𝑉𝑟

𝑉2 = 21.67 + 0.6 = 22.26[𝑉] 𝑎=

𝑉1 169.71 = = 7.62 𝑉2 22.26

𝜃1 = sin−1 (

2𝑓𝐶𝑅 − 1 ) 2𝑓𝐶𝑅 − 1

2 ∗ 60 ∗ 100 ∗ 10−6 ∗ 1000 − 1 𝜃1 = sin−1 ( ) 2 ∗ 60 ∗ 100 ∗ 10−6 ∗ 1000 − 1 𝜃1 = 57.8° 𝐼𝐷 = 2𝜋𝑓𝐶𝑉𝑜𝑝 𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡 + 𝑉𝑜𝑝 𝑐𝑜𝑠𝑤𝑡/𝑅 𝐼𝐷 = 2𝜋 ∗ 60 ∗ 100 ∗ 10−6 ∗ 21.67 + 0.02167 = 0.83 [A] 𝑉𝑃𝐼 = 2𝑉2𝑃 𝑉𝑃𝐼 = 2 ∗ 16.85 = 33.7[𝑉]

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Simulación 1 Fuente de alimentación DC no regulada (Rectificador de onda completa, con filtro capacitivo y carga resistiva)

4.2.

En el circuito diseñado desconecte el capacitor.

Circuito 1.- Circuito con el capacitor desconectado

4.2.1. Obtenga la forma de onda del voltaje de salida Vo(t).

Simulación 2 Vo(t)

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4.2.2. Obtenga la forma de onda del voltaje de salida Vo (Vin).

Simulación 3 Forma de onda de Vo (Vin)

4.2.3. Mida el periodo de la señal de entrada y el periodo de la señal de salida:

Simulación 4 Periodo de la onda de entrada T=16.6 ms y f =60.24 Hz

Ilustración 1 Periodo de la señal de voltaje Vo (Vin)

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Calculo de error: 𝑒% =

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 ∗ 100% 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

𝑒% =

16.6 − 16.6 ∗ 100% = 0% 16.6

Análisis. - La simulación sobre el periodo de la señal de Vo(Vin) muestra el mismo valor que el mostrado en el osciloscopio el día de la práctica, sin marco de error, esto nos indica que el simulador se acercara al valor real, es decir trabaja con datos reales y no ideales.

Simulación 5 Periodo de la onda de salida T=8.20 ms y f = 125 Hz

Ilustración 2 Período de la señal Vo(t)

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Calculo de error: 𝑒% =

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 ∗ 100% 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

𝑒% =

8.3 − 8.2 ∗ 100% = 1.21% 8.3

Análisis. - La simulación sobre el periodo de la señal de Vo(t) muestra un valor similar al mostrado en el osciloscopio el día de la práctica, dando un error de 1.21%, el cual está dentro del marco de error aceptable, esto nos indica que el simulador se acercara al valor real. 4.2.4. Mida el voltaje Pico Inverso de uno de los diodos. 𝑉𝑃𝐼 = 2𝑉𝑑 𝑉𝑃𝐼 = 2 ∗ 0.6 = 1.2[𝑉]

Simulación 6 Voltaje pico inverso del diodo

Calculo de error: 𝑒% =

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 ∗ 100% 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

𝑒% =

1.2 − 1.1 ∗ 100% = 8.3% 1.2

Análisis. - La simulación sobre el voltaje pico inverso del diodo muestra un valor cercano al mostrado en el osciloscopio el día de la práctica, dando un error de 8.3%, esto nos indica que hay un gran margen de error.

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4.2.5. Mida el voltaje de salida medio y voltaje eficaz de las componentes alternas de la señal de salida. 2𝑉𝑜𝑝 𝑉𝐷𝐶 = 𝜋 2(16√2 − 2 ∗ 0.6) 𝑉𝐷𝐶 = = 13.64[𝑉] 𝜋

Simulación 7 Valor medio del voltaje de salida.

Calculo de error: 𝑒% =

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 ∗ 100% 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

𝑒% =

13.64 − 13.8 ∗ 100% = −1.17% 13.64

Análisis. - La simulación sobre el valor del voltaje 𝑉𝐷𝐶 muestra un valor similar al mostrado en el osciloscopio el día de la práctica, dando un error de 1.17%, el cual está dentro del marco de error aceptable, esto nos indica que el simulador se acercara al valor real. 𝑉𝑅𝑀𝑆 =

(16√2 − 2 ∗ 0.6) √2

= 15.15[𝑉]

Simulación 8 𝑉𝑅𝑀𝑆 de la señal Vo(t)

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Calculo de error: 𝑒% =

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 ∗ 100% 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

𝑒% =

15.15 − 14.11 ∗ 100% = 6.86% 15.15

Análisis. - La simulación sobre el valor del voltaje rms muestra un valor similar al mostrado en el osciloscopio el día de la práctica, dando un error de 6.86%.

𝑉𝑟𝑚𝑠

𝑉𝑟𝑚𝑠 = √(𝑉𝑅𝑀𝑆 )2 − (𝑉𝐷𝐶 )2 = √(15.15)2 − (13.64)2 = 6.59[𝑉]

4.2.6. Realice un cuadro con los valores obtenidos. Tabla 1 Datos calculados, simulados y medidos del circuito sin el capacitor

𝑉𝐷𝐶 𝑉𝑅𝑀𝑆 𝑉𝑟𝑚𝑠 VPI 4.3.

Calculado Simulado Calculado 13.64 [𝑉] 13.8 [𝑉] 13.8 [𝑉] 15.11 [𝑉] 6.59 [𝑉] 7 [𝑉] 7.1 [𝑉] 1.2[𝑉] 1[𝑉] 1[𝑉]

En el circuito diseñado de la Fuente de alimentación DC no regulada, conecte el capacitor.

Simulación 9 Circuito con el capacitor conectado

4.3.1. Obtenga la forma de onda del voltaje de salida. Vo(t).

Simulación 10 Señal de salida de circuito con filtro capacitivo

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Ilustración 3 Señal obtenida en la práctica

4.3.2. Mida el voltaje medio y el voltaje eficaz de las componentes alternas de la señal de salida. 𝑉𝑝 𝑉𝐷𝐶 = 1 1+ 2𝑅𝑓𝐶 16√2 − 2 ∗ 0.6 𝑉𝐷𝐶 = = 20.57[𝑉] 1 1+ 4 ∗ 1000 ∗ 60 ∗ 100 ∗ 10−6

Simulación 11 Valor medio del voltaje de salida con filtro capacitivo.

Calculo de error: 𝑒% =

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 ∗ 100% 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

𝑒% =

20.57 − 20.5 ∗ 100% = 0.34% 20.57

Análisis. - La simulación sobre el periodo del voltaje rizado pico pico muestra un valor similar al mostrado en el osciloscopio el día de la práctica, dando un error de 0.34%, el

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cual está dentro del marco de error aceptable, esto nos indica que el simulador se acercara 𝑉𝑅𝑀𝑆 =

𝑉𝑅𝑀𝑆 =

𝑉𝑅𝑀𝑆 =

𝑉𝑟𝑝𝑝 2√3 𝑉𝑟𝑝𝑝 2√3

854.17 ∗ 10−3 2√3

= 0.30[𝑉]

Simulación 12 Vrms de la señal de salida con filtro capacitivo y carga resistiva

Ilustración 4 Vrms de la señal de salida Vo(t)

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Calculo de error: 𝑒% =

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 ∗ 100% 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

𝑒% =

1.3 − 1.24 ∗ 100% = 4.62% 1.30

Análisis. - La simulación sobre el vrms de la señal de salida con el filtro capacitivo muestra un valor similar al mostrado en el osciloscopio el día de la práctica, dando un error de 4.62%, el cual está dentro del marco de error aceptable, esto nos indica que el simulador se acercara 4.3.3. Mida el voltaje de rizado pico-pico. 𝑉𝐷𝐶 20.57 𝐼𝐷𝐶 = = = 20.57[𝑚𝐴] 𝑅 1000 𝑉𝑟𝑝𝑝 =

𝑉𝑟𝑝𝑝 =

𝐼𝐷𝐶 4𝑓𝐶

20.57 ∗ 10−3 = 854.17[𝑚𝑉] 4 ∗ 60 ∗ 100 ∗ 10−6

Simulación 13 Valor del voltaje rizado pico de la señal de salida

Calculo de error: 𝑒% =

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 ∗ 100% 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

16 Diana Sandoval S. & Wilson Velastegui R.

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𝑒% =

887.50 − 854.17 ∗ 100% = 3.75[𝑉] 887.50

Análisis. - La simulación sobre el voltaje de rizado pico pico de la señal de Vo(t) muestra un valor aproximado al mostrado en el osciloscopi, dando un error de 3.75%, el cual está dentro del marco de error aceptable, su error se puede dar porque en el simulador no permite ampliar la señal de rizado. 4.3.4. Disminuya el valor del capacitor y mida el voltaje de rizado pico-pico.

Simulación 14 Circuito con capacitor de valor menor al de los anteriores circuitos (10Uf).

𝑉𝑟𝑝𝑝 =

𝑉𝑟𝑝𝑝 =

𝐼𝐷𝐶 4𝑓𝐶

20.57 ∗ 10−3 = 8.57[𝑉] 4 ∗ 60 ∗ 10 ∗ 10−6

Simulación 15 Voltaje de salida del circuito

4.3.5. Cambie el valor de la resistencia de carga por una de valor mayor y obtenga el voltaje de salida.

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Simulación 16 Circuito con resistencia de carga mayor a la planteada en los anteriores circuitos.

Simulación 17 Voltaje de salida del circuito con resistencia de carga mayor.

El voltaje aumento cuando se colocó una resistencia de mayor tamaño. 4.3.6. Cambie el valor de la resistencia de carga por una de valor menor y obtenga el voltaje de salida.

Simulación 18 Circuito con resistencia de carga menor a las planteadas en los anteriores circuitos.

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Simulación 19 Voltaje de salida de circuito con resistencia de carga menor a las planteadas en los anteriores circuitos.

El voltaje aumenta con relación a los anteriores circuitos. 4.3.7. Cambie el transformador por otro cuya relación de transformación sea diferente y obtenga el voltaje de salida.

Simulación 20 Circuito con transformador de relación 10:2

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Simulación 21 Voltaje de salida de circuito con transformador de relación 10:2.

El voltaje de rizado es mayor que cuando el transformador tiene una relación de 10 a 1. 4.3.8. Realice un cuadro con los valores obtenidos. Tabla 2 Datos calculados y simulados del circuito sin el capacitor

𝑉𝐷𝐶 𝑉𝑟𝑝𝑝 𝑉𝑅𝑀𝑆 𝑉𝑟𝑚𝑠

Calculado Simulado 15.13 [𝑉] 14.9 [𝑉] 1.29 [𝑉] 1.2 [𝑉] 0.37 [𝑉] 0.25 [𝑉] 0.25 [𝑉] 0.37[𝑉]

Los valores con relacion al circuito sin el capacitor son mas ezactos y de menor valor, esto se da porque la señal se rectifica acercandose a ser continua.

5. Preguntas

5.1.

¿Qué tipo de señal es a que se obtuvo en el numeral 4.2.1?

Se obtuvo una señal senoidal rectificada, es decir una señal con diferentes valores de voltaje en un periodo determinado, que se encuentra en un solo sentido, es decir una señal alterna superpuesta a un valor continuo.

20 Diana Sandoval S. & Wilson Velastegui R.

ESPE-DEEE 5.2.

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De acuerdo al resultado obtenido en el numeral 4.2.3. ¿Qué relación existe entre la frecuencia de la señal de salida y la frecuencia de la señal de entrada en el rectificador?

Como la señal obtenida en la salida es una señal rectificada, que va en una sola dirección, por lo tanto solo tendrá ciclo positivo, mientras que la señal de entrada por ser una señal alterna tendrá ciclos positivos y negativos, el periodo de la señal de entrada será por lo tanto mayor al de la señal de salida y como sus frecuencias son el inverso de los periodos se conoce y se observa que la frecuencia de la señal de entrada es menor a la de la salida y en este caso se cumple que la frecuencia del voltaje de salida es el doble de la frecuencia del voltaje de entrada. 5.3.

¿Qué ocurre con las componentes alternas de la señal obtenida al utilizar un filtro capacitivo?

Cuando se ocupa un filtro capacitivo las componentes alternas de la señal son las mismas ya que el valor de la componente continua de la señal es cercana al cero. 5.4.

¿Qué ocurre con el valor de voltaje medio de salida y el voltaje de rizado picopico a disminuir el capacitor?

El voltaje medio de salida es visible y mayor a cero mientras que el voltaje de rizado picopico aumenta con relación a un mayor capacitor. 5.5.

¿Qué ocurre con el voltaje medio de salida u el voltaje de rizado al variar la resistencia de carga?

Cuando la resistencia es mayor el voltaje de rizado es menor que el medido con la resistencia planteada, mientras que con una resistencia menos el voltaje de rizado es mayor o igual. 5.6.

¿Qué ocurre con el valor del voltaje medio de salida y el voltaje de rizado al cambiar el transformador?

Cuando se cambia el transformador el voltaje de rizado varia, al aumentar el valor del voltaje dos aumenta el valor de rizado de la señal de salida.

6. Conclusiones 

El filtro capacitivo mejora la señal de salida de circuito, haciendo que se comporte como una señal continua.



Los valores obtenidos en el laboratorio varían dentro de un rango aceptable de error, por lo que se puede tomar a los valores simulados como valores cercanos a la realidad. 21

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7. Bibliografía García, V. (3 de noviembre de 2010). FUENTES DE ALIMENTACIÓN Y LABORATORIO.

Obtenido

de

Diarionelectronico

hoy:

http://www.diarioelectronicohoy.com/blog/electronica-practica Miyara,

F.

(Diciembre

de

2006).

Rectificación.

Obtenido

de

FCEIA:

http://www.fceia.unr.edu.ar/enica3/rectif.pdf Saavedra, P. T. (31 de mayo de 2011). Fuentes de alimentacion. Obtenido de Blogspot: http://tiposdefuentesdealimentacion.blogspot.com/2011/05/tipos-de-fuentes-dealimentacion.html Spranz, F. (Septiembre de 2006). Filtros Inductores. Obtenido de Library.e: https://library.e.abb.com/public/9146478e6e30e650c12574ec002bec1a/1TXA11 4004M0701.pdf

22 Diana Sandoval S. & Wilson Velastegui R.