Equipos de Almacenamiento Generico: Uso de Capacitores Para Corregir El Voltaje de Rizo
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8/15/2019 Equipos de Almacenamiento Generico: Uso de Capacitores Para Corregir El Voltaje de Rizo
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UNIVERSIDAD VERACRUZANAFACULTAD DE INGENIERÍA. CAMPUS COATZACOALCOS
INGENIERÍA ELÉCTRICA
ANÁLISIS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOSM. EN C. ALFREDO GONZÁLEZ FUENTEVILLA
EQUIPOS DE ALMACENAMIENTO GENÉRICO:
USO DE CAPACITORES PARA CORREGIR EL
VOLTAJE DE RIZO
PRESENTAN:FERNÁNDEZ REYES ITZEL
RODRÍGUEZ DE LA O JACKELINE SAINED
COATZACOSALCOS, VER. 07 JUNIO 2016
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ÍNDICE
ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................... 5
INTRODUCCIÓN ........................................................................... 7
MARCO TEÓRICO ....................................................................... 10
ANTECEDENTES ......................................................................... 12
Capacitores ................................................................................ 12
Inductores .................................................................................. 14
Características fundamentales de capacitores y bobinas .... 15
Relación dual para capacitores y bobinas ............................. 17
Parámetros característicos de las fuentes de voltaje ............ 18
Voltaje de rizado ....................................................................... 18
Factor de rizado ........................................................................ 19
Regulación de Carga ................................................................ 20
Regulación de línea................................................................... 21
El transformador ....................................................................... 22
Rectificación con filtro .............................................................. 24
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Etapa de conducción de los diodos ........................................ 27
Etapa de no conducción de los diodos .................................. 38
IMPACTO AMBIENTAL ............................................................. 42
PROBLEMÁTICA ......................................................................... 43
Objetivo general ........................................................................ 43
Objetivos específicos ................................................................ 43
JUSTIFICACIÓN ........................................................................... 45
Protegiendo el equipo .............................................................. 45
Suavizado de la potencia de CC ............................................. 46
Enfriador de chispas ................................................................. 47
HIPÓTESIS ..................................................................................... 48
METODOLOGÍA .......................................................................... 49
Cálculos ...................................................................................... 49
Circuito ....................................................................................... 54
Simulación ................................................................................. 55
Plantilla de circuito impreso ................................................... 57
CONCLUSIONES ......................................................................... 67
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RECOMENDACIONES ............................................................... 69
APÉNDICES .................................................................................. 70
Capacitores en serie .................................................................. 70
Capacitores en paralelo ............................................................ 71
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................. 72
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ÍNDICE DE FIGURAS
Ilustración 1: Diagrama fuente de voltaje DC ................. 8
Ilustración 2: Capacitor .......................................................... 12
Ilustración 3: Inductores ....................................................... 14
Ilustración 4: Capacitor, bobina. ........................................ 16
Ilustración 5: Gráfica onda de salida de una fuente de
voltaje de CD. ............................................................................. 18
Ilustración 6: Voltaje de rizado ........................................... 19
Ilustración 7: Fuente de voltaje no regulada ................. 23
Ilustración 8: Forma de onda del voltaje d salida del
rectificador con filtro ................................................................ 25
Ilustración 9: formas de onda del voltaje rectificado
en el secundario del transformador, del voltaje sobre
el condensador y de la corriente en D1 ........................... 31
Ilustración 10: Forma de onda de la corriente por el
diodo D2 relacionada con las formas de onda del
voltaje rectificado en el secundario del transformador
y del voltaje sobre el condensador .................................... 32
Ilustración 11: Forma de onda aproximada de la
corriente en los diodos D1 y D3. ........................................ 33
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Ilustración 12: Formas de onda del voltaje y la
corriente en el secundario ..................................................... 35
Ilustración 13: Forma de onda de la corriente en el
secundario elevada al cuadrado. ........................................ 37
Ilustración 14: Etapa de no conducción de los diodos38
Ilustración 15: circuito de la fuente de alimentación. 54
Ilustración 16: Circuito en Proteus .................................... 56
Ilustración 17: Circuito impreso.......................................... 58
Ilustración 18: Prueba en protoboard ............................... 60
Ilustración 19 Valores de prueba ........................................ 60
Ilustración 20 Valores de prueba en protoboard .......... 61
Ilustración 21 Elaboración del circuito impreso ............ 62
Ilustración 22: Circuito en baquelita ................................. 63
Ilustración 23: Circuito en cloruro férrico ....................... 64
Ilustración 24. Componentes en la baquelita ................ 64
Ilustración 25: Baquelita completa .................................... 65
Ilustración 26: Producto final ............................................... 66
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INTRODUCCIÓN
El almacenamiento de energía en elementos de circuito
eléctrico es un aspecto importante en el desarrollo de circuitos
flexibles y útiles. Describiremos dos elementos almacenadores
de energía como son: el capacitor y el inductor. Todos los
capacitores como los inductores o bobinas son elementos
lineales, sin embargo a diferencia de la resistencia, sus
características terminales se describen mediante ecuaciones
diferenciales lineales. Otra característica distintiva de estos
elementos es su capacidad de absorber energía del circuito,
almacenarla temporalmente y regresarla después. Los
elementos que poseen esta capacidad de almacenamiento deenergía se denominan simplemente elementos de
almacenamiento.
Los capacitores son capaces de almacenar energía cuando un
voltaje está presente a través del elemento. La energía
realmente se almacena en un campo eléctrico.
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Los inductores o bobinas son capaces de almacenar energía
cuando una corriente pasa a lo largo de ellas haciendo que se
forme un campo magnético.
En este trabajo vamos a centrar nuestra atención en uno de los
circuitos más importantes para el funcionamiento de los
sistemas electrónicos: el rectificador con filtro, el cual es un
elemento esencial de las fuentes de voltaje de CD. La función
de las fuentes de voltaje de CD (Fig. 1) es proporcionar
energía en la forma adecuada a la mayor parte de los sistemas
electrónicos, tomándola del sistema AC comercial, el cual
opera a una frecuencia de 60Hz.
El rectificador con filtro cumple una función fundamental enla operación de las Fuentes de Voltaje DC.
Ilustración 1: Diagrama fuente de voltaje DC
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La función del transformador es doble: Aísla la Fuente del
sistema AC y ajusta el valor pico del voltaje al valor deseado.
El rectificador con filtro transforma la señal alterna en una
señal de una sola polaridad (aunque todavía con variaciones
considerables del nivel de voltaje).
Finalmente, el regulador produce el voltaje DC de salida
requerido y reduce las fluctuaciones de dicha salida hastamantenerlas dentro de los límites estipulados.
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MARCO TEÓRICO
La mayoría de los circuitos digitales trabajan con corrientes
directas así que necesitan una señal lineal en vez de pulsos,
debido a esto en el circuito de la fuente necesita integrar un
bloque de filtrado el cual se encargará de hacer que las señales
en forma de pulso se transformen en una señal continua.
La señal que se obtiene a la salida de rectificación es una señalen forma de pulsos, puesto que el puente de diodos solo deja
pasar la parte positiva de la señal de corriente alterna.
La forma más sencilla de implementar un circuito efectivo es
mediante la conexión en paralelo de un capacitor, debido a
que el capacitor es un dispositivo el cual pude almacenar
cierta carga cuando es aplicada una corriente en sus
terminales y proporcionar esta carga cuando se le deja de
aplicar la corriente, lo podemos utilizar como filtro.
Un inconveniente de este método es que cuando el capacitor
deja de recibir la corriente comienza descargarse y por lo
tanto hay una baja en la intensidad lo cual solo se reduce el
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rizo que hay en la señal. Pero si agregamos una resistencia y
otras secciones podremos reducir al mínimo estos pulsos
dejando una señal casi perfecta ya que el rizo se presentará enlas resistencias en lugar de presentarse en la carga final.
El objetivo de este proyecto es mostrar cómo es una correcta
selección de capacitores para fuentes de alimentación de
voltaje y así poder nosotros mismos fabricar las nuestras y
también poder detectar los diferentes inconvenientes que se
nos presenten con la correcta utilización de capacitores.
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ANTECEDENTES
Capacitores
Un capacitor es un elemento de circuito que consiste en dos
superficies conductoras separadas por un material no
conductor, o dieléctrico. Un capacitor simplificado y su
símbolo se muestran en la ilustración 2 a continuación:
Hay muchas formas diferentes de capacitores y pueden
clasificarse por el tipo de material dieléctrico que se usa entre
las placas conductoras. El material puede ser aire, vacío, mica,
papel impregnado con aceite o cera, mylar, poli estreno,
vidrio o cerámica.
Ilustración 2: Capacitor
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Capacitancia es una medida de la propiedad de un dispositivo
de almacenar energía en forma de cargas separadas o de un
campo eléctrico. Es el factor de proporcionalidad que apareceentre las placas conductoras y se miden en Culombios por
voltios o faradios.
Los capacitores o condensadores pueden ser fijos o variables y
típicamente van de miles de microfaradios a unos cuantos
picofaradios.
La capacitancia de dos placas paralelas, de área A separadas
una distancia d, es:
Donde es la permeabilidad del espacio libre, con valor de8.85 x 10− F/m
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Inductores
Un inductor o una bobina es un elemento de circuito que
consiste en un alambre conductor usualmente en forma derollo o carrete. En la ilustración 3 se muestran dos bobinas
típicas y su símbolo eléctrico:
Las bobinas se suelen caracterizar según el tipo de núcleo en
el que están enrolladas. Por ejemplo, el material del núcleo
puede ser aire o cualquier material no magnético, hierro o
ferrita. Las bobinas hechas con aire o con material no
magnético se usan ampliamente en circuitos de radio, TV y
filtros. Las bobinas con núcleo de hierro se usan en
suministros de potencia eléctrica y en filtros. Las bobinas con
núcleo de ferrita se utilizan ampliamente en aplicaciones de
Ilustración 3: Inductores
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alta frecuencia. La bobina, como la resistencia y el capacitor es
un elemento pasivo.
Características fundamentales de capacitores y
bobinas
Similitud de las ecuaciones que los definen. Tienen una
relación dual, es decir, las ecuaciones que los definen son
idénticas si intercambiamos C con L e i con v y viceversa.
Si el voltaje a través de un capacitor es constante (es decir, que
no varía con respecto al tiempo), la corriente a los largo de
este es cero y por lo tanto el capacitor se ve como un circuito
abierto de CD (o DC por las siglas en inglés).
De manera similar, si la corriente en una bobina es constante,
el voltaje a través de ella es cero y por ende la bobina se ve
como un corto circuito de DC.
Un salto instantáneo en el voltaje a través de un capacitor no
es realizable físicamente debido a que requiere el movimiento
de una cantidad finita de carga en un tiempo cero, la cual es
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una corriente infinita. Por lo tanto no es posible cambiar
instantáneamente el voltaje en un capacitor.
De igual manera, un cambio instantáneo en la corriente en
una bobina requeriría un voltaje infinito, por lo tanto no es
posible cambiar instantáneamente la corriente en una bobina.
Los capacitores y las bobinas en la práctica poseen resistencias
de fuga y no son como símbolos que hemos presentado. Uncapacitor y un inductor más práctico son mostrados en la
ilustración 4:
Ilustración 4: Capacitor, bobina.
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Relación dual para capacitores y bobinas
En los próximos puntos vamos a definir una serie de
parámetros que caracterizan a las Fuentes de Voltaje DC en su
conjunto, para luego concentrarnos en el rectificador con filtro
y su interacción con el transformador.
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Parámetros característicos de las fuentes de voltaje
La salida de toda fuente de voltaje presenta la forma de onda
mostrada en la ilustración 5. Sobre esta señal, vamos a definirlos parámetros característicos indicados en los próximos
apartados.
Voltaje de rizado
Se denomina Voltaje de Rizado a la diferencia entre el voltaje
máximo y el voltaje mínimo de la forma de onda de salida de
la fuente de Voltaje DC. Por lo tanto:
Vr = Vmax – Vmin … (1)
Ilustración 5: Gráfica onda de salida deuna fuente de voltaje de CD.
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El Voltaje de Rizado debe especificarse indicando la carga de
la Fuente con la que se ha realizado la medición, entendiendo
por "carga" la cantidad de corriente que dicha Fuente debe
suministrar al circuito conectado a ella. Usualmente el Voltaje
de Rizado se especifica para la máxima carga que puede
manejar la Fuente de Voltaje DC.
Ilustración 6: Voltaje de rizado
Factor de rizado
Se denomina Factor de Rizado a la relación porcentual entre elVoltaje de Rizado y el valor máximo de la Fuente de Voltaje
DC, esto es:
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Fr =
100 % −
100 % … (2)
Al igual que el Voltaje de Rizado, el Factor de Rizado se
especifica para la máxima carga que puede manejar la Fuente
de Voltaje DC.
Regulación de Carga
La Regulación de Carga es una medida de la capacidad de la
Fuente de Voltaje DC de mantener constante su voltaje de
salida cuando varía la carga conectada a ella, es decir, la
cantidad de corriente que debe proporcionarle al circuito que
está alimentando. Se define utilizando la siguiente expresión:
− 100 % … (3) Dónde:
Vo min= Voltaje de salida a máxima carga
Vo max= Voltaje de salida sin carga (corriente cero)
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Cuanto mejor es la calidad del regulador de la Fuente de
Voltaje DC , menor es la Regulación de Carga. Una Fuente de
Voltaje ideal tiene una Regulación de Carga igual a cero.
Regulación de línea
La Regulación de Línea es una medida de la capacidad de la
Fuente de Voltaje DC de mantener constante su voltaje de
salida cuando varía el valor del voltaje AC máximo aplicado a
la entrada del rectificador. Se define utilizando la siguiente
expresión:
RL
max−
x 100 % … (4)
Dónde:
VoVimax = Voltaje de salida cuando el voltaje AC pico a la
entrada es máximo
VoVimin = Voltaje de salida cuando el voltaje AC pico a laentrada es mínimo
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Cuanto mejor es la calidad del regulador de la Fuente de
Voltaje DC , menor es la Regulación de Línea. Una Fuente de
Voltaje ideal tiene una Regulación de Línea igual a cero.
El transformador
Como mencionamos anteriormente, el transformador aísla la
Fuente del sistema AC y ajusta el valor pico del voltaje alvalor deseado, de acuerdo con los requerimientos de entrada
de la Fuente de Voltaje. A fin de determinar el transformador
adecuado para una Fuente de Voltaje en particular, además de
indicar la relación de transformación dada por el cociente
entre el voltaje en el primario y el secundario, es necesario
especificar la potencia aparente (volts-amperes) que va a
manejar dicho transformador. Para determinar dicha potencia
se multiplica el valor r.m.s. del voltaje en el secundario por el
valor r.m.s. de la corriente en el secundario. Suponiendo que
las pérdidas propias del transformador son despreciables, el
valor calculado en el secundario es igual a la potencia que
maneja el primario del transformador. El cálculo del valor
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r.m.s. del voltaje en el secundario del transformador es simple
y directo, ya que consideramos que la forma de onda del
voltaje es sinusoidal (sin tomar en cuenta el efecto del ruido
eléctrico existente en la línea), pero es necesario calcular
cuidadosamente el valor r.m.s. de la corriente en el
secundario, ya que debido a la operación del circuitorectificador con filtro, la forma de onda de dicha corriente
dista mucho de ser sinusoidal, como veremos en los próximos
puntos.
Ilustración 7: Fuente de voltaje no regulada
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Rectificación con filtro
En la ilustración 7 podemos observar los bloques que
constituyen lo que se denomina la fuente de voltaje noregulada: la alimentación AC, el transformador y el
rectificador con filtro.
Al analizar la operación de este circuito, podemos observar en
primer lugar que, debido al proceso de rectificación de onda
completa, el voltaje de salida Vc, esto es, la señal sobre el
condensador y la resistencia, como se ve en la ilustración 8,
presenta un período de T/2, es decir, la mitad del período de
la señal sinusoidal de entrada, por lo tanto su frecuencia es el
doble de la frecuencia original.
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Observando la ilustración 8 también es posible deducir que el
voltaje máximo y mínimo están relacionados mediante la
ecuación:
ω t0… (4)
Por lo tanto, la ecuación para el voltaje de rizado es:
1 0 … (5)
Y el factor de rizado está dado por la siguiente expresión:
Ilustración 8: Forma de onda del voltaje d salida delrectificador con filtro
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100 % 1 100 %
1 0 100 % … (6)
Adicionalmente , en el gráfico anterior podemos comprobar
que la forma de onda de vc está constituida por dos etapas bien diferenciadas: Un primer intervalo, comprendido entre t0
y T/4, durante el cual el voltaje del secundario del
transformador es ligeramente mayor que el del condensador,
lo suficiente para que una de las dos parejas de diodos del
puente rectificador esté polarizada en directo y por lo tanto
sea posible la circulación de corriente por el secundario del
transformador y por el par de diodos correspondiente, y un
segundo intervalo, comprendido entre T/4 y T/2 + t0, durante
el cual el voltaje del secundario del transformador es menor
que el del condensador, y por lo tanto ninguno de los cuatro
diodos del puente rectificador puede entrar en conducción. En
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los próximos apartados vamos a analizar en detalle cada una
de estas dos etapas.
Etapa de conducción de los diodos
En esta etapa, la fuente de entrada proporciona toda la
energía necesaria para alimentar la carga del circuito, en este
caso la resistencia R, y cargar el condensador C hasta elmáximo valor posible.
Durante el semi ciclo positivo, la corriente en el secundario
del transformador , tiene la dirección indicada como positivaen la Figura 6, y lo mismo ocurre con la corriente en el
primario del transformador, . Durante este semiciclo, lacorriente circula por el diodo D1, continúa por C y R en la
dirección indicada como positiva para ambas corrientes, e , por lo que aumenta la carga eléctrica almacenada en el
condensador y le suministra a la resistencia la corrientenecesaria, sigue por D3 y por el secundario del transformador
para cerrar el lazo de corriente.
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Durante el semi ciclo negativo, la corriente is circula por el
secundario en la dirección opuesta, pasa por D2, luego por C
y R en la misma dirección que en el semi ciclo positivo (con locual se obtiene el efecto de rectificación de onda completa, se
aumenta igualmente la carga eléctrica almacenada en el
condensador y se le suministra a la resistencia la corriente
necesaria), sigue por D4 y por el secundario del
transformador para cerrar el lazo de corriente.
De acuerdo con la ecuación para los condensadores, la
corriente en el condensador está dada por la relación:
… (7)
Ahora bien, para este caso, si consideramos que tanto el
transformador como los diodos del puente rectificador tienen
un comportamiento similar al de los dispositivos ideales, el
voltaje en el condensador es igual al voltaje en el secundario
del transformador, por lo tanto:
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… (8)
En consecuencia, la corriente en el condensador está dada por
la relación:
cos … 9
Y la corriente tanto en los diodos que están conduciendo
como en el secundario del transformador es:
cos …10
Para simplificar, vamos a considerar que las variaciones en la
corriente que circula por la resistencia R, debidas a las
variaciones del voltaje en el condensador, son despreciables
frente a las variaciones que sufre la corriente en el
condensador, por lo tanto podemos suponer que la corriente
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por la resistencia R permanece esencialmente constante y es
igual a . De acuerdo con esto, la corriente en el secundariodel transformador está dada por la ecuación: = + …11 En consecuencia, durante el intervalo de tiempo en el que
conducen un par de diodos, la forma de onda de la corriente
en el secundario del transformador y en los diodoscorrespondientes está compuesta por una señal cosenoidal
sumada a una señal continua.
Como ya hemos mencionado, los diodos D1 y D3 conducen
durante los semi ciclos positivos del voltaje en el secundario.
La ilustración 9 muestra el voltaje en el secundario del
transformador ya rectificado , (dibujado con líneapunteada para que sirva como referencia, ya que esta forma
de onda no aparece como tal sobre ningún componente del
circuito), el voltaje sobre el condensador
, y la corriente por
el diodo D1 (la cual es igual a la corriente por el diodo D3). El
intervalo de conducción de los diodos se acostumbra a
identificar como , donde:
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… (12)
Ilustración 9: formas de onda del voltaje rectificado en el secundario del
transformador, del voltaje sobre el condensador y de la corriente en D1
En la ilustración 10 podemos observar la corriente por los
diodos D2 y D4, relacionada con la forma de onda del voltajeen el condensador y con la forma de onda de referencia del
voltaje del secundario rectificado. El intervalo de conducción
está identificado con .
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Dos de los parámetros fundamentales en el análisis y diseño
de un rectificador con filtro son el valor promedio de la
corriente que circula por los diodos del puente rectificador y
la potencia disipada por éstos. Para calcular la corriente
promedio debemos aplicar la definición correspondiente,
dada por la siguiente ecuación:
∫ … (13)
Ilustración 10: Forma de onda de la corriente por el diodo D2 relacionadacon las formas de onda del voltaje rectificado en el secundario del
transformador y del voltaje sobre el condensador
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Para simplificar los cálculos, podemos aproximar los pulsos
cosenoidales de la forma de onda de la corriente en los diodos
a pulsos cuadrados cuya amplitud es el valor máximo de lacorriente por los diodos, . Podemos calcular el valor picode la corriente en los diodos utilizando la ecuación (11). Como
podemos observar en la ilustración 5, la corriente es máxima
para el instante to. Por lo tanto:
cos …14
Con la aproximación propuesta, la corriente en los diodos D1y D3 es la mostrada en la ilustración 11.
Ilustración 11: Forma de onda aproximada de lacorriente en los diodos D1 y D3.
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Aplicando la definición de valor promedio a estos pulsos
rectangulares de corriente obtenemos:
… 15
Por otra parte, la potencia promedio disipada por los diodos
del puente rectificador está dada por la relación siguiente:
1
…16
Considerando que el voltaje en los diodos durante su
intervalo de conducción es un valor constante, Vd, y que la
corriente tiene la forma de onda presentada en la Figura 10, la
potencia promedio de los diodos está dada por la ecuación:
… 17
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Por último, para finalizar el análisis de la etapa de conducciónde los diodos, la cual coincide con la de conducción por el
transformador, podemos calcular el valor de la corriente r.m.s.
en el secundario, valor necesario para calcular la potencia
aparente del transformador. La ilustración 12 presenta las
formas de onda del voltaje y de la corriente en el secundario.
Ilustración 12: Formas de onda del voltajey la corriente en el secundario
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Como podemos observar, la forma de onda de la corriente no
es sinusoidal, pero es periódica y bipolar. Esta última
característica es importante, porque hay otros tipos de
rectificadores, (como por ejemplo los de media onda) en los
que la corriente por el transformador es unipolar, lo cual esfuente de problemas, ya que la característica de
magnetización no es simétrica.
El valor r.m.s. de la corriente en el secundario del
transformador está dada por la ecuación:
.. 1
…18
Utilizando la aproximación anterior, la corriente en el
secundario elevada al cuadrado es la mostrada en la
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ilustración 13 Con esta simplificación, el valor r.m.s. de la
corriente en el secundario del transformador está dada por la
siguiente simplificación:
.. 2 …19
Y la potencia aparente del transformador es:
S = .. .. √ … 20
Ilustración 13: Forma de onda de la corriente en elsecundario elevada al cuadrado.
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Etapa de no conducción de los diodos
En esta etapa, el condensador C proporciona la energía que
alimenta a la carga R. Al no conducir ninguno de los diodos,debido a la polarización inversa existente entre los terminales
de todos ellos, el circuito queda reducido al condensador con
la resistencia en paralelo, como podemos observar en la
ilustración 14. La corriente circula en la dirección indicada en
dicha figura, por lo tanto la corriente por el condensador es
negativa, lo cual indica que éste se está descargando,
suministrándole a la carga R la corriente requerida.
Aunque la relación que gobierna la variación de la corriente
en la resistencia es exponencial, dado que la variación del
voltaje en los terminales del condensador y por lo tanto sobre
la resistencia es pequeña cuando se compara con el valor
Ilustración 14: Etapa de noconducción de los diodos
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máximo de dicho voltaje, podemos simplificar el problema
considerando que la corriente en la resistencia permanece
prácticamente constante (Irmax) y por lo tanto la descarga delcondensador es lineal. Aplicando la ecuación fundamental de
la corriente en el condensador tenemos:
…21 Dónde:
Irmax = Corriente máxima en la carga.
Δv = Rango de variación del voltaje en el condensador
durante el intervalo en el que este modelo es válido: Vmax –
Vmin
Δt = Intervalo de tiempo durante el cual este modelo es
válido: De T/4 a T/2 + t0.
Por lo tanto:
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∆ - …22
Sustituyendo estos valores en la ecuación (20) obtenemos:
−+ − + … (23)
De donde:
4 1 …24
Esta es la ecuación que relaciona el tiempo t0, correspondiente
al instante donde se alcanza el voltaje mínimo, con el valor del
condensador, el voltaje máximo y la corriente máxima en la
carga. Como podemos observar, es una ecuación
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trascendental, debido a la función seno presente en uno de sus
términos.
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IMPACTO AMBIENTAL
Todos los circuitos y sistemas electrónicos requieren para su
funcionamiento de una fuente de alimentación que suministre
los niveles de voltajes adecuados para su correcto
funcionamiento. La mayor parte trabajan a partir de un voltaje
de corriente continua (CC), este voltaje puede ser obtenido de
dos maneras:
1. Por medio de pilas
2. Utilizando fuentes de alimentación de voltaje
Si nosotros implementamos el uso de fuentes de alimentación
vamos a reducir grandemente la contaminación producida
por el desecho de pilas, ya que por falta de cultura las
desechamos en cualquier lugar lo que es muy peligroso para
nosotros mismos y el medio ambiente, ya que las pilas poseen
componentes químicos muy tóxicos como el mercurio, cadmio
y el níquel.
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PROBLEMÁTICA
Para realizar este proyecto investigamos más sobre el tema y
decidimos hacer una fuente regulada de voltaje, para así
demostrar la aplicación de los capacitores para corregir o
reducir el voltaje de rizo.
Objetivo general
Poner en práctica los conocimientos adquiridos hasta el
momento sobre circuitos eléctricos y electrónicos, así como los
beneficios que se obtienen al usar dispositivos electrónicos
como diodos y capacitores.
Objetivos específicos
- Vincular los conocimientos de las experiencias
educativas: “Análisis avanzado de circuitos eléctricos” y
“Dispositivos electrónicos”.
- Comprender el funcionamiento de los capacitores al
aplicarlos como filtros en una fuente de voltaje regulado
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- Visualizar la señal rectificada de onda completa esto
mediante un diodo rectificador; además se observara y
comprenderá el efecto que tiene un filtro RC sobre unacarga
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JUSTIFICACIÓN
Un condensador de filtro es una forma particularmente
duradera del condensador utilizado en los filtros de la línea
de alimentación y circuitos de filtro. Una línea principal es
susceptible a los aumentos repentinos de una variedad de
fuentes, tales como rayos, y través de la variación asociadacon motores y dispositivos controlados de TRIAC, o Triodo
para Corriente Alterna. El condensador de filtro debe soportar
e incluso acabar con estas sobretensiones transitorias para
evitar problemas con el resto del circuito.
Protegiendo el equipo
La sobretensión causada por un rayo puede enviar miles de
voltios a través de un circuito. El tipo de condensador de filtro
utilizado en los filtros de la línea de alimentación se llama un
"filtro de línea". Con una alta capacidad y durabilidad,
absorben sobretensiones de línea de modo que no se
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transmiten a otros circuitos y equipos de más abajo en la línea.
Esto mantiene a los transitorios de potencia e interferencias
electromagnéticas o EMI, alejadas de los componentessensibles, ahorrando tiempo y dinero que normalmente se
gasta en su reparación.
Suavizado de la potencia de CCDespués de que una señal de CA deja un transformador a
través de los diodos, se convierte en una señal de CC. Un
circuito de filtro se utiliza para suavizar la señal de CC
desigual. En este papel, los condensadores de filtro se colocan
entre el suelo y la línea CD, y su capacidad es seleccionada
para dar al circuito un constante tiempo determinado. El TC
indica la velocidad a la que un circuito se adapta a la
variación de la tensión - con el TC correcto, la tensión de
salida se convierte en un DC más suave.
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Enfriador de chispas
Un enfriador de chispas es un condensador y una resistencia
conectados en serie, diseñado para absorber los altosaumentos repentinos de energía. El SPQ resiste un EMF, que
sucede cuando la energía es removida de un elemento
inductivo en un dispositivo tal como un motor o un solenoide,
enviando una espina en la línea eléctrica. Estas oleadas
pueden ser muy grandes - más de mil voltios - y el papel de la
SPQ es absorberlo, y liberarla lentamente a un nivel de
energía más bajo.
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HIPÓTESIS
Al utilizarse capacitores en fuentes de alimentación se logrará
transformar la tensión alterna de la entrada en continua a la
salida, sin embargo esta tensión a la salida no será puramente
continua sino que presentara una pequeña señal de rizo que
junto con otros componentes que irán después del capacitor se
logrará finalmente una tensión completamente continua.
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METODOLOGÍA
Para el desarrollo de este proyecto partimos del
transformador con el que contábamos, comenzamos por
investigar que circuito integrado se acoplaba a las
características del transformador.
Cálculos
Para lograr una fuente de alimentación variable comenzamos
asumiendo que entre un extremo del secundario y el 0 hay 24
V tenemos:
Vef: 24V
Vp=24√2=33.94V
El voltaje máximo obtenido después del rectificado será
Vmáx = Vp- √2 = 33.9V- √2 = 32.525V
Al filtrar esta tensión rectificada mínima se quiere que el
voltaje pico de rizo sea
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Vppr=10%Vmax
Vppr=3,26V
Por lo tanto, el valor de la tensión rectificada mínima Vmín , la
cual será igual a la tensión de entrada Vent Al regulador
LM317 será:
Vmín=Vmáx-Vppr=32.525-3.2525V
Vmín=29.2725V
La hoja de datos dice que la diferencia de tensiones entre la
entrada y salida del regulador tiene que ser como mínimo 3V
para estar seguros que el regulador está trabajando bien; por
lo tanto, la tensión máxima en la salida del regulador por la
cual se puede estar seguro que la medida de continua es
correcta será:
Vsal=Vent-3V=(24-3)V
Vsal= 21V
Para asegurarnos diremos que mientras la salida del LM317 se
mida tensiones comprendidas entre 1.2V y 21V se puede estar
seguro que la fuente este trabajando de forma adecuada.
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Para calcular el valor adecuado del condensador que filtrara
la tensión rectificada y del cual se obtendrá una salida en
continua con un rizado cuyo Vppr=10%Vmax se usará laecuación:
10 √ 2 En la formula pide la frecuencia de la tensión rectificada, la
cual es el doble de la frecuencia que llega de la compañía
eléctrica, por lo tanto, f=120Hz, Vp=33.94V y la corriente que se
requiere obtener como máximo es 1A Si se remplazan estos
valores se obtiene:
C= AHz33.V−√ C= 3.07mF= 3074µF
Por lo que ocuparemos un capacitor de 3300 µF a 63V porque
la máxima tensión a la que puede trabajar el condensador se
recomienda que sea al menos el doble de la tensión máxima
rectificada, por eso de los picos o sobretensiones que pueden
aparecer.
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La hoja de datos recomienda que en la entrada del LM317 se
coloque un condensador de 0.1µF.
La tensión de salida será igual a la suma de tensiones que
cargan sobre R1 y R2 esto es Vsal=V+V , donde esvariable y la tensión sobre R1 siempre será 1.25V en este
regulador de allí que la salida mínima sea 1.25V y esto
ocurrirá cuando
=0; la hoja de datos recomienda que
=240
Ω de esto se puede ver que:
1.25 240 Ω 5 Lo que nos indica que la corriente en debe ser lo máspróxima a 5mA, también dice que la corriente en el pin deajuste Iadj=50µA, si se aplica Kirchhoff:
I=I+Iadj
Val−.VR = .VR Reacomodando se tiene
Vsal=1.25V (1+ (R2/R1)) + Iadj (R2)
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Como Iadj= 50µA se puede despejar Iadj (R2), quedando
Vsal= 1.25 (1+ (R2/R1))
Se reacomoda y se obtiene
RR= (Vsal/1.25)-1Con lo que
R2= Val,V 1 R2=240Ω V,V 1= 3792Ω R2= 3792Ω
Valor comercial= 5KΩ
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Circuito
A continuación, se muestra el circuito que se realizó en la
simulación, el cual se pudo realizar gracias a los cálculos
Ilustración 15: circuito de la fuente de alimentación.
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anteriores.
Simulación
Para realizar la simulación, teníamos que contar con todos los
datos de los dispositivos que ocupamos, esta fue la primera
prueba de ensayo y error en la cual nos pudimos dar cuenta si
algún componente había sido calculado mal o pasaba algo que
dañara el circuito real, el único inconveniente para realizar
dicha simulación fue que no sabíamos cómo cambiar los datos
del transformador, investigamos y aprendimos que se calcula
aplicando la siguiente ecuación:
()
∗ 2La cual nos dará la impedancia del primario y con esta semodificarán las propiedades de nuestro transformador
reductor.
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56Ilustración 16: Circuito en Proteus
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Plantilla de circuito impreso
Realizar esta plantilla para el circuito impreso fue un poco
más fácil, pues el programa manda las líneas de conexiónentre cada dispositivo, existen dos formas , primero la de
dejar que el programa organice todo y haga las conexiones,
esta no nos convenía pues el programa mandaba conexiones
par hacer en ambos lados de la baquelita (en donde chocaban
las pistas) y nosotros contábamos con una baquelita de un
solo lado conductor, la otra opción, que fue la que realizamos
es acomodar manualmente los componentes e ir creando las
uniones, en nuestro proyecto, nosotros aparte de realizar las
conexiones manuales, también modificamos el grosor de las
pistas y la circunferencia de los puntos de unión para que a la
hora de perforar nos quedara espacio para soldar y el taladro
no se llevara la pista.
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Ilustración 17: Circuito impreso
Ya con el diagrama hecho y con los materiales calculados
comenzamos a realizar nuestra fuente, pero antes de hacerlo
en baquelita, probamos que todo estuviera bien y para eso
realizamos las conexiones en un protoboard. El propósito de
hacerlo antes en protoboard, es que verifiquemos que ningún
dispositivo estuviese dañado y que la fuente regule al voltaje
deseado.
Antes de comenzar a conectar cualquier cosa debemos
consultar los datasheet de los dispositivos que vamos a
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ocupar. Como vemos en la lista de materiales utilizaremos
dos circuitos integrados uno del tipo LM317 (Anexo 1) y otro
del tipo LM337 (Anexo 2) y también utilizaremos un puentede diodos tipo W01G (Anexo 3).
Conociendo la información de estos dispositivos electrónicos
y con los conocimientos obtenidos durante este curso,
comenzamos a armar nuestro circuito. Para ello utilizamos
dos protoboards, la parte de arriba de nuestro diagrama lo
conectamos en un protoboard y la parte de abajo en el otro,
esto se hizo de esta forma para que no tuviéramos
complicaciones a la hora de conectar cada elemento.
Siguiendo paso por paso nuestro diagrama conectamos todos
nuestros elementos, nos llevó más de dos intentos que
funcionara como debía, ya que estábamos conectando algunas
cosas de una forma incorrecta, pero nos dimos cuenta de lo
errores y pudimos corregirlos antes de dañar algún
dispositivo.
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Ilustración 18: Prueba en protoboard
Teniendo todo armado, medimos los voltajes de salida tanto
positivo y negativo y los resultados fueron los esperados.
En la parte positiva, las mediciones del voltaje mínimo y el
voltaje máximo fueron los calculados anteriormente, esto lo
podemos observar en las siguientes imágenes.
Ilustración 19 Valores de prueba
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De igual forma en la parte negativa las mediciones fueron las
esperadas
Ya que sabemos que cada dispositivo electrónico y los demás
materiales funcionan de una manera correcta, procedemos a
preparar la baquelita, para esto imprimimos el circuito en hoja
de acetato, preparamos la baquelita limpiándola con alcohol,
colocamos el circuito impreso encima, para sujetar la hoja le
pusimos cinta en los extremos, a continuación, procedimos a
planchar nuestro circuito durante 5 minutos.
Ilustración 20 Valores de prueba en protoboard
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Ilustración 21 Elaboración del circuito impreso
Después se mete directo en un recipiente con agua y se
presiona el circuito para que quede mejor impreso, se saca del
agua, se retira la hoja de acetato, después verificamos que
todas las pistas quedaran impresas ya que son estas las quedan continuidad, de no ser así hay que corregirlo
manualmente, en este caso nuestro planchado se transfirió
correctamente y no necesito ninguna corrección.
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Ilustración 22: Circuito en baquelita
Ahora se introduce la baquelita en un recipiente con cloruro
férrico y se mueve hasta que el cobre se retira de la baquelita y
solo queda el circuito impreso, a continuación, tenemos que
eliminar la tinta de la impresión, utilizando un borrador yacetona constantemente hasta que se elimina toda la tinta, por
ultimo limpiamos la baquelita y queda lista para trabajar en
ella.
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Ilustración 23: Circuito en cloruro férrico
Para hacer los orificios, donde irán introducidos nuestros
dispositivos y demás materiales, utilizamos un taladro con
brocas de 1/16 y 1/32. Después introducimos cada dispositivo
en el lugar que le correspondía.
Ilustración 24. Componentes en la baquelita
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Con todo ya listo comenzamos a soldar todos nuestros
dispositivos, siguiendo el diagrama. Luego hicimos pruebas
para verificar que llevamos a cabo bien este paso.
Ilustración 25: Baquelita completa
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Nosotros decidimos hacer un tipo de caja con material
reciclado, en donde pudiéramos introducir nuestra baquelita
y darle una mejor presentación.
Ilustración 26: Producto final
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CONCLUSIONES
A lo largo de este trabajo se ha analizado la factibilidad y los
resultados a obtener si se implementaran fuentes de voltaje
regulado con capacitores como filtro, como lo hemos
demostrado y aunque parezca no tener sentido implementar
esto, se ha cumplido con los objetivos de este proyecto,además hemos visto cómo aunque parece algo pequeño e
insignificante, puede alcanzar a perjudicar y dañar equipos.
Se sabe que las fuentes de voltaje regulado ya las podemos
encontrar en tiendas comerciales, pero como vimos
anteriormente, se hicieron los cálculos pertinentes para que la
fuente se acople a las necesidades que se tienen y no
suministre mayor o menor capacitancia de la requerida.
Mediante estos resultados se concluye que la mejor opción es
realizar un estudio para saber cuáles son las necesidades delsistema eléctrico, realizar los cálculos pertinentes y con base
en ellos realizar nuestra propia fuente de voltaje.
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Además de que insistimos en que no se deje de lado el voltaje
de rizo, pues, recalcamos y hacemos hincapié en que de no
tratarse adecuadamente puede ser muy perjudicial paranuestros equipos y el sistema eléctrico.
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RECOMENDACIONES
Recomendamos ampliamente efectuar un análisis profundo
de los factores que puedan ayudar a elevar el voltaje de rizo,
así como un estudio de los requerimientos del sistema para
tratar de aliviarlo o para poder aplicar capacitores como
filtros. Insistimos en no dejar de lado esta problemática yseguir buscando información al respecto.
Finalmente, rogamos al lector que efectúe una búsqueda
minuciosa y una selección cuidadosa del tipo de capacitor que
va a adquirir, que realiza los cálculos requeridos para hacer
tal selección.
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APÉNDICES
Capacitores en serie
El acoplamiento de capacitores en serie se realiza conectando
en una misma rama uno y otro capacitor, obteniendo una
capacidad total entre el primer borne del primer capacitor y el
último del último.
Capacitores conectados uno después del otro, estánconectados en serie.
Estos capacitores se pueden reemplazar por un único
capacitor que tendrá un valor que será el equivalente de los
que están conectados en serie.
Para obtener el valor de este único capacitor equivalente se
utiliza la fórmula:
1/CT=1/C1+1/C2+1/C3+1/C4
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Capacitores en paralelo
El tipo de capacitor más común se compone de dos placas
paralelas, separadas por una distancia d que es pequeña
comparada con las dimensiones lineales de las láminas. El
acoplamiento en paralelo de los capacitores se realiza
conectándolos a todos a los mismos dos bornes.
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