LABORATORIO DE ELECTRNICA

LABORATORIO DE ELECTRNICADiseo de Fuente

Tema: Fuente de Voltaje DC

1. Objetivo:

Realizar la implementacin de una fuente de voltaje DC aplicando los conocimientos aprendidos en clase. Unificar los circuitos: rectificador de onda, filtro y regulador para el diseo de una fuente DC. Verificar la valides de los procesos matemticos en el diseo de una fuente DC. Comprobar el funcionamiento adecuado de la fuente cuando esta se encuentra sin carga y cuando se encuentra con ella.

2. Marco Terico:

Fuente de Alimentacin DC:

Diagramas de la los componentes de la fuente:

Como se puede ver en el diagrama para realizar el diseo y la implementacin de la fuente DC se deben acoplar varios tipos de circuitos en uno solo obteniendo de esta forma un voltaje de salida DC de valor promedio 5,1(v).En cada una de las etapas la seal de entrada se va modificando de a poco para llegar al resultado final que es el voltaje que se refleja en la carga. Las etapas por las que tiene que pasar la seal deben ser: la etapa de transformacin, etapa de rectificacin , etapa de filtrado y etapa de regulacin.

Etapa de Transformacin:En esta etapa la seal de entrada que en este caso ser tomada directamente del toma corriente pasa por un transformador de voltaje que convierte la seal de 120(v) a 12(v) mediante un proceso que se detalla a continuacin.

Transformadores:

Los transformadores son dispositivos usados para cambiar el voltaje de la electricidad que fluye en el circuito. Los transformadores se pueden utilizar para aumentar o disminuir el voltaje de la seal de entrada hacia la seal de salida.

El principio de induccin electromagntica es lo que hace que los transformadores trabajen. Cuando una corriente atraviesa un alambre, crea un campo magntico alrededor del alambre. De la misma manera, si un alambre est en un campo magntico que est cambiando, fluir una corriente por el alambre. En un transformador, un conductor lleva corriente a un lado. Esa corriente crea un campo magntico, que a cambio produce una corriente en el conductor al otro lado del transformador. La segunda corriente fluye fuera del transformador.

De hecho, ambos alambres en un transformador estn envueltos en una bobina alrededor de un ncleo de hierro. El ncleo de hierro se sumerge en un bao de aceite aislante que no conduce electricidad muy bien. Las bobinas de alambre no estn conectadas fsicamente. Un alambre tiene ms vueltas en su bobina que el otro alambre. Los diferentes nmeros de vueltas en las dos bobinas hacen que el voltaje y la corriente en cada bobina sea diferente de la otra bobina la relacin entre el voltaje y el nmero de vueltas es:

Donde:V1 : Voltaje de entrada.V2: Voltaje de salida.N1: Nmero de vueltas en la primera bobina o bobina primaria.N2: Nmero de vueltas en la bobina secundaria.

Los transformadores slo trabajan con circuitos de CA (corriente alterna). Debido a que la corriente alterna CA en el el alambre "entrante" cambia constantemente, el campo magntico creado tambin cambia. El campo magntico cambiante es lo que fuerza el flujo de corriente en la bobina de "salida".

Etapa de Rectificacin:En esta etapa el circuito recibe la seal que ya paso por el transformador y se encarga de rectificarla de tal manera que a su salida se obtiene una seal unidireccional positiva esto se logra debido al uso de diodos, existen dos tipos de rectificadores que se detallaran a continuacin pero para el caso del diseo de esta fuente se ha utilizado el rectificador de onda completa. Diodo:

Componente electrnico que permite el paso de la corriente en un solo sentido. La flecha de la representacin simblica muestra la direccin en la que fluye la corriente.Es el dispositivo semiconductor ms sencillo y se puede encontrar prcticamente en cualquier circuito electrnico, Consta de la unin de dos tipos de material semiconductor, uno tipo N y otro tipo P, separados por una juntura llamada barrera o unin.

Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la ms utilizada) y de germanio. Esta barrera o unin es de 0.3 voltios en el germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio, El diodo se puede puede hacer funcionar de 2 maneras diferentes:

Polarizacin directa:Cuando la corriente circula en sentido directo, es decir del nodo A al ctodo K, siguiendo la ruta de la flecha (la del diodo). En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportndose prcticamente como un corto circuito. El diodo conduce.

Diodo en polarizacin directa

Polarizacin inversa:Cuando una tensin negativa en bornes del diodo tiende a hacer pasar la corriente en sentido inverso, opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o sea del ctodo al nodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prcticamente como un circuito abierto. El diodo est bloqueado.

Diodo en polarizacin inversaIdentificacin de los terminales del Diodo:

Para identificar los terminales de un diodo, utilizamos el multmetro en la opcin de medir continuidad.

Luego, colocamos la punta positiva (roja) del multmetro en uno de los lados del diodo y la punta negativa (negra) en el otro lado del diodo.

Si en el multmetro nos aparece un valor de aproximadamente 0.7 si es que el diodo es de silicio 0.3 si el diodo es de germanio, el terminal positivo o nodo del diodo est en la punta positiva del multmetro y el terminal negativo o ctodo del diodo est en la punta negativa del multmetro.

Si en el multmetro nos aparece un 0 lgico o ningn valor, el nodo del diodo est en la punta negativa del multmetro y el terminal negativo o ctodo del diodo est en la punta positiva del multmetro.

Curva caracterstica del diodo:

Con la polarizacin directa del diodo, los electrones portadores aumentan su velocidad dentro del semiconductor y al chocar con los tomos generan calor que har aumentar la temperatura del semiconductor. ISATURACINZENERP. IP. DVUMBRAL

Este aumento activa la conduccin en el diodo y por lo tanto obtenemos la curva caracterstica del diodo que relaciona el voltaje de nodo hacia ctodo y la corriente de nodo a ctodo que pasa por l.

De donde obtenemos que en la zona OA existe una baja polarizacin directa y baja corriente. La zona AB es la zona de conduccin. En la zona OC existe la corriente inversa de saturacin. Y a partir de C hacia abajo, se produce una zona de avalancha.Especificaciones ms comunes del diodo:

Tensin umbral: Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial va disminuyendo y se incrementa la corriente ligeramente. Sin embargo, cuando la tensin externa supera la tensin umbral, rompe y desaparece la barrera de potencial, de manera que para pequeos incrementos de tensin se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.

Corriente mxima: Es la intensidad de corriente mxima que puede conducir el diodo sin daarse o fundirse, la cual depende del diseo que tenga el diodo debido a que se encuentra en funcin de la cantidad de calor que puede disipar el diodo.

Corriente inversa de saturacin: Es la corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formacin de pares de electrones y huecos debido a la temperatura, sabiendo que se duplica por cada incremento de 10 C en la temperatura.

Corriente superficial de fugas: Es la corriente que circula por la superficie del diodo en polarizacin inversa, esta corriente es funcin de la tensin aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensin, aumenta la corriente superficial de fugas.

Tensin de ruptura: Es la tensin inversa mxima que el diodo puede soportar antes de que pase al efecto avalancha.

Circuitos Rectificadores:

Los circuitos rectificadores son aquellos que convierten una seal alterna en una seal unidireccional en su salida. Tambin, son aquellos que convierten una seal de voltaje medio cero, en una seal de voltaje medio diferente de cero.Una de las aplicaciones ms importantes de los diodos, es el diseo de los circuitos rectificadores. Un diodo rectificador es esencial en las fuentes de alimentacin cd necesarias para alimentar equipos electrnicos.

Rectificador de media onda

R. de media ondaDebido a que un diodo pude mantener el flujo de corriente en una sola direccin, se puede utilizar para cambiar una seal de ac a una de dc. En la figura se muestra un circuito rectificador de media onda. Cuando la tensin de entrada es positiva, el diodo se polariza en directo y se puede sustituir por un corto circuito. Si la tensin de entrada es negativa el diodo se polariza en inverso y se puede remplazar por un circuito abierto. Por tanto cuando el diodo se polariza en directo, la tensin de salida a travs del resistor se puede hallar por medio de la relacin de un divisor de tensin sabemos ademas que el diodo requiere 0.7 voltios para polarizarse asi que la tensin de salida esta reducida en esta cantidad (este voltaje depende del material de la juntura del diodo). Cuando la polarizacin es inversa, la corriente es cero, de manera que la tensin de salida tambin es cero. Este rectificador no es muy eficiente debido a que durante la mitad de cada ciclo la entrada se bloquea completamente desde la salida, perdiendo as la mitad de la tensin de alimentacin. Por dicha razon este circuito tiene un alto factor de rizo que ms adelante se hallara.

Voltaje de salida en un R. de media onda.

Rectificador de Onda Completa:

El rectificador de onda completa utiliza ambas mitades de la onda senoide de entrada; para obtener una salida unipolar, invierte los semiciclos negativos de la onda senoidal. En esta aplicacin se utiliza en el devanado central del transformador con la finalidad de obtener dos voltajes VS iguales, en paralelo con las dos mitades del devanado secundario con las polaridades indicadas. Cuando el voltaje de lnea de entrada, que alimenta al devanado primario, es positivo, ambas seales marcadas como VS sern positivas. En este caso D1 conduce y D2 estar polarizado inversamente. La corriente que pasa por D1circulara por la carga y regresara ala derivacin central del secundario. El circuito se comporta entonces como rectificador de media onda, y la salida durante los semiciclos positivos ser idntica a la producida por el rectificador de media onda.Ahora, durante el semiciclo negativo del voltaje de ca de la lnea, los voltajes marcados como VS sern negativos. Entonces D3 estar en corte y D4 conduce. La corriente conducida por D3 circulara por la carga y regresa a la derivacin central. Se deduce que durante los semiciclos negativos tambin el circuito se comporta como rectificador de media onda, excepto que ahora el diodo D3 es el que conduce. Lo ms importante es que la corriente que circula por la carga siempre pasa por la misma direccin y el voltaje vo ser unipolar. La onda de salida se obtiene suponiendo que un diodo conductor tiene una cada constante de voltaje VDO, es decir, se desprecia el efecto de la carga.

Valor medio o promedio de la rectificacin de onda completa.

Valor eficaz de la rectificacin de la onda completa.

Factor de riple de la rectificacin de onda completa

Rectificador de Onda Completa con derivacin central

Factor de rizado:

El Factor de Rizado es la relacin, por lo general porcentual, entre el voltaje rms (Vrms) y el voltaje de corriente continua promedio (VDC), en donde, mientras menor sea el factor de rizado, se comprueba que es una mejor fuente.

Etapa de Filtrado:En esta etapa la seal de entrada se filtra de tal manera que la seal de salida del filtro se puede considerar puramente continua, aunque no lo sea ya que dependiendo el factor de rizado la onda puede tener an una variacin la cual para la realizacin de la fuente debe ser la mnima posible esto se determinara en los clculos.Filtro: Es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una seal elctrica que pasa a travs de l.

Es un dispositivo que separa, pasa o suprime un grupo de seales de una mezcla de seales.

Funciones de un filtro

Demodular seales Ecualizar y as obtener una calidad de audio con mejor fidelidad Eliminar ruidos en los diferentes sistemas de comunicacin Convertir seales muestreadas en seales continuas

Tipos de Filtros

De acuerdo a la ganancia tenemos dos tipos de filtros:

1. Filtros pasivos.Los que atenuarn la seal en mayor o menor grado. Se implementan con componentes pasivos comocondensadores,bobinasyresistencias.

2. Filtros activos.Son los que pueden presentar ganancia en toda o parte de la seal de salida respecto a la de entrada. En su implementacin suelen apareceramplificadores operacionales.

Por su frecuencia los filtros se clasifican en:Filtro paso bajo. Es aquel que permite el paso de frecuencias bajas, desde frecuencia 0 continuaFiltro paso alto. Es el que permite el paso de frecuencias desde una frecuencia de corte determinada hacia arriba, sin que exista un lmite superior especificadoFiltro paso banda.Son aquellos que permiten el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias,Filtro elimina banda. Es el que dificulta el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias,

Caractersticas tcnicas para un filtroEl factor de rizado debe estar en el rango del 1% al 2% para ser efectivo.Frecuencia: 50 Hz / 60 Hz 10%Rango de voltaje: desde 220 hasta 1000 VCA.Tolerancia de capacitancia: de -5% a +10%.Tolerancia: Etapa de Regulacin:En esta etapa y mediante la utilizacin de un diodo zener se conseguir que regular el valor del voltaje de salida para que este a un cierto valor de corriente que nos impondremos siempre sea el ms cercano a 5.1(v).

Caractersticas del diodo Zener

Eldiodo zeneres un tipo especial dediodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente. Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus caractersticas de polarizacin directa y polarizacin inversa), conducen siempre en el sentido de la flecha.En este caso lacorrientecircula en contra de la flecha que representa el diodo. Si eldiodo zenerse polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador comn. Cuando eldiodo zenerfunciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales unvoltajeconstante.En el grfico se ve el smbolo dediodo zener(A - nodo, K - ctodo) y el sentido de la corriente para que funcione en la zona operativaSe analizar eldiodo Zener, no como un elemento ideal, si no como un elemento real y se debe tomar en cuenta que cuando ste se polariza en modo inverso si existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de muy poco valor.

Curva caracterstica del diodo ZenerAnalizando la curva deldiodo zenerse ve que conforme se va aumentando negativamente el voltaje aplicado aldiodo, la corriente que pasa por el aumenta muy poco.

Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensin deZener (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeo, pudiendo considerarse constante.Para este voltaje, la corriente que atraviesa eldiodo zener, puede variar en un gran rango de valores. A esta regin se le llama la zona operativa. Esta es la caracterstica deldiodo zenerque se aprovecha para que funcione como regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene practicamente constante para una gran variacin de corriente. Ver el grfico.

Caractersticas de los reguladores de voltaje con diodo zener

Eldiodo zenerse puede utilizar para regular unafuente de voltaje. Este semiconductor se fabrica en una amplia variedad devoltajesypotenciasEstos van desde menos de 2 voltios hasta varios cientos de voltios, y la potencia que pueden disipar va desde 0.25 watts hasta 50 watts o ms.La potencia que disipa un diodo zener es simplemente la multiplicacin del voltaje para el que fue fabricado por la corrienteque circula por l.

Pz = Vz x Iz

Esto significa que la mxima corriente que puede atravesar un diodo zener es: Iz = Pz/Vz. (en amperios)Dnde:- Iz = Corriente que pasa por el diodo Zener- Pz = Potencia del diodo zener (dato del fabricante)- Vz = Voltaje del diodo zener (dato del fabricante)Ejemplo: La corriente mxima que un diodo zener de 10 Voltios y 50 Watts puede aguantar, ser: Iz = Pz/Vz = 50/10 = 5 amperiosClculo de resistor limitador de corriente Rs

El clculo delresistorRs est determinado por la corriente que pedir la carga (lo que vamos a conectar a estafuente de voltaje). Este resistor se puede calcular con la siguiente frmula:

Rs = [Venmin- Vz]/1.1 x ILmx

dnde:- Ven (min): es el valor mnimo del voltaje de entrada. (Acordarse que es un voltaje no regulado y puede variar)- IL (max): es el valor de la mxima corriente que pedir la carga.Una vez conocido Rs, se obtiene la potencia mxima deldiodo zener, con ayuda de la

siguiente frmula:PD = [[ Venmin-Vz ] / Rs-ILmin] x Vz

3. Materiales y Equipos:

Materiales: Transformador de 120(v)Vrms a 12(v)Vrms de 500 (mA) Un capacitor de 2200(uF) de 25(v) 4 diodos 1N4007 de silicio. Resistencia de 62() a 5(w) potencia Diodo zener 1N4733A: Vz=5.1(V), Imax= 49(mA), P= 1(w) Cables para conexin Protoboard Multimetro

4. Diseo:Voltaje de salida: 5.1(v)Corriente de salida: 157(mA)Transformador de 120(v) a 12(v)VrmsFactor de rizado: 0,02

Nos imponemos esto valores que ya que el factor de rizado de dicha magnitud se encuentra de un rango ptimo para la implementacin de la fuente voltaje, el del voltaje de salida es el que entrega el diodo zener cuya magnitud es de 5,1(v) y la corriente de salida de esa magnitud nos permitir conectar alrededor de 10 circuitos integrados ya que estos consumen alrededor de 8 a 10 mA Como podemos ver en sus respectivos datasheed.Compuerta 74LS04:

Diodo Zener 1N4733A:

Tomamos como voltaje de entrada 120(v)Vrms que equivalen a 169.7(v) pico.El voltaje de entrada ser el entregado por el transformador es decir 12(v)Vrms o 16.9(v)pico

Aqu podemos comprobar el valor entregado por el transformador y realizar el clculo del error obtenido .

Conociendo los valores de salida que nos imponemos para el circuito se calculara la corriente Is y la resistencia Rs que son indispensables para el clculo del valor del capacitor.

Para obtener el valor de la resistencia lo calculamos con:

Nos impondremos un valor para el capacitor ya que en el mercado existe una gama muy amplia de valores de resistencias, mas no de capacitores, el valor que nos impondremos ser de 2200uf.

El capacitor ser de 25(v) ya que el valor entregado por el transformador no excede los 20(v), con estos valores podemos encontrar Rs.

Reemplazamos el valor de Rs por 62() ya que este valor se encuentra disponible en el mercado, tambin procedemos a calcular la potencia que requiere la resistencia, para lo que requerimos calcular el Vdc.

Con este valor se calcula el valor de la potencia de la resistencia.

En la implementacin utilizamos una resistencia de 5(w) de potencia para prevenir algn desperfecto en el circuito.Con estos valores comprobamos que el valor del factor de rizado no se afecta mayormente y obtendremos el valor del factor de rizado que deber tener la fuente implementada el cual es:

Que equivale a 1.7% el cual es un valor valido ya que el rango permitido para que una fuente funcione ptimamente es de 1% a 2% en su factor de rizado.

Con los valores obtenidos en la prctica podemos comprobar el funcionamiento de la fuente comprobando el valor del factor de rizado.Conocemos que:

De la prctica se obtuvo que Vrms:

Vdc:

Por lo tanto:

Obtenemos un error de:

Como se puede observar la diferencia no es muy alta sin embargo el error si lo es ya que los valores del factor de rizado son muy pequeos.

7. Simulacin e implementacin del circuito:

Calculando el rango de resistencia dentro del cual el circuito regula obtuvimos:

Pero como habamos podido observan en un laboratorio anterior cuando la carga excede el rango el circuito contina regulando.

Para Rl= 60()

Una ves realizada la simulacin y habiendo comprobado que los valores obtenidos estn dentro del rango de 5.1(v) se procedi a la implementacin de circuito.En el circuito probado en la prctica pudimos observar el valor que se obtiene a la salida de la fuente el cual es:

Como podemos observar el valor calculado y simulado es diferente ya que el valor terico que es de 5,1(v), este valor cambia ya que los componentes que constituyen el diodo y los elementos usados en el circuito no son ideales y presentan valores diferentes a los ideales.

8. Conclusiones:

Una de las grandes aplicaciones de la electrnica y circuitos, es la capacidad de poder crear un sin nmero de aplicaciones utilizando los elementos apropiados para realizar cada cosa que nosotros queramos obtener, en este caso, evidenciamos como a partir de un rectificador, de un filtro y de un regulador, logramos obtener una fuente de 5 voltios.

Una vez hecha la parte prctica del trabajo, pudimos observar todos los posibles errores que se comente en los diferentes clculos que se obtienen analticamente, debido a que los factores reales a los que nos exponemos no nos dan los valores exactos que esperamos, y es por eso que tambin identificamos en la salida la pequea diferencia del circuito en fsico y el realizado en la simulacin.

9. Recomendaciones:

Se recomienda realizar el circuito y hacer pruebas antes que nada en el protoboard, para poder corregir si hay algn cambio que se deba hacer y no hacerlo directamente en la baquelita puesto que podemos poner en riesgo el circuito si es que conectamos algo mal o si nos fallan los clculos.

Al momento de armar, es importante tomar en cuenta que los cables que utilicemos para llevar la corriente sea el adecuado para el tipo de corriente y voltaje que debe soportar, es decir, el cable adecuado para que soporte los 120 voltios AC de la entrada y los 5 voltios aproximados en DC de la salida.

10. BIBLIOGRAFA:

Randy Russell.Tansformadores de voltaje en circuitos elctricos. Recuperado de http://www.windows2universe.org/physical_science/physics/electricity/voltage_transformers.html&lang=sp Annimo. Diodo. Recuperado de http://www.dte.uvigo.es/recursos/potencia/ac-dc/archivos/diodo.htm Annimo. Circuitos Rectificadores. Recuperado de http://www.forosdeelectronica.com/tutoriales/rectificadores.htm Annimo. Regulador de voltaje con diodo zener. Recuperado de http://www.unicrom.com/Tut_reg_con_zener.asp Principios de electricidad y electrnica 2, recuperado de http://books.google.com.ec/books?id=OBGdJcvSvCQC&pg=PA185&lpg=PA185&dq=factor+de+rizado+rectificador+de+media+onda&source=bl&ots=k8Xl2Nhx30&sig=hWLwgldv-aaW0h9wvnL1xG-Xe9Y&hl=es&sa=X&ei=RN5iU_qdAs23yAT964LYDg&ved=0CEcQ6AEwBA#v=onepage&q=factor%20de%20rizado%20rectificador%20de%20media%20onda&f=false