Resumen—En este documento se describirán las aplicaciones de los diodos por medio del uso de circuitos rectificadores, también se podrá analizar el uso de fuentes no reguladas para entender los cambios del voltaje de rizado en relación a la variación de la capacitancia, además se evidenciara el uso del diodo zener como regulador de tensión en una fuente controlada. Un aspecto importante, es que se van a trabajar conceptos básicos del diodo como polarización directa e inversa, y también configuraciones de diodos para mejorar la salida de una señal en un porcentaje alto.

Abstract— Described in this document diodes applications through the use of rectifier circuits, also can be analyzed using unregulated sources to understand changes in the ripple voltage in relation to the variation in capacitance, and the use will be evident zener diode as a voltage regulator in a controlled source. An important aspect is that we will work with basics concepts diode forward and reverse polarization and diode configurations also to improve the output of a signal in a high percentage.

Palabras clave—Rectificador, Voltaje de rizo, Semiciclo.

I. INTRODUCCIÓN

El diodo es un elemento muy útil a la hora de trabajar la con señales de corriente alterna, debido a que este instrumento puede ser utilizado en diversas aplicaciones, para que junto con otros elementos de circuitos pueda “manipular un circuito a su antojo” para obtener a partir de una señal de entrada dada una señal de salida con otras características que pueden ser de utilidad a la hora de trabajarlas, sin necesidad de alterar en gran proporción el comportamiento de la onda, u otras características primordiales.

El hecho de entender que factores como el porcentaje al que está trabajando un circuito o el voltaje de rizado pueden mejorar para que beneficien al circuito con el que se está trabajando, pueden ser cruciales a la hora de manejar diodos y elementos de circuitos como capacitores.

MARCO TEÓRICO

Un circuito rectificador es aquel circuito que tiene la capacidad de convertir una señal de corriente alterna en

una señal de corriente continua pulsante, transformando de esta manera una señal bipolar en una señal monopolar, mediante el uso de diodos rectificadores. Existen dos tipos de circuitos rectificadores: el circuito rectificador de media onda y el de onda completa (transformador con toma central y puente de diodos).

El circuito rectificador de media onda genera una señal de corriente continua partiendo de una señal de corriente alterna cortando a cero todos los semiciclos de una misma polaridad en la señal de corriente alterna y dejando igual los semiciclos que tengan la polaridad contraria, como se puede apreciar en la figura 1.

Figura 1. Rectificación de media onda para una señal de corriente alterna.

Figura 2. Circuito básico para la rectificación de media onda.

Para realizar el análisis de este tipo de circuito lo hacemos en cada semiciclo de la señal de entrada ,

para luego determinar la señal , para cada semiciclo

correspondiente. En el semiciclo positivo de vemos

que el diodo se polariza directamente, debido a que su ánodo se encuentra a un nivel de tensión mayor que su cátodo. El dispositivo se comporta como un corto circuito al tomar el modelo ideal del diodo real polarizado de forma directa, por lo tanto, el análisis de este semiciclo positivo nos muestra una salida igual a

la señal de entrada .

Rectificadores de onda y fuentes DC.Camilo A. Bayona Aguilera, Carlos A. Vargas Jiménez Estudiantes de Ingeniería Eléctrica

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Figura 3. Representación del circuito en .

Para el semiciclo negativo de tenemos al cátodo a un

nivel de tensión mayor que el ánodo, es decir, el diodo está polarizado inversamente. Considerando un diodo ideal aparece un circuito en el que la corriente es nula, en otras palabras, tenemos un circuito abierto, de este modo la salida para el semiciclo negativo es cero.

Figura 4. Representación del circuito en .

Con este análisis puede explicarse la salida exactamente igual a la entrada en los semiciclos positivos y el corte a cero de de los semiciclos negativos.

Figura 5. Señal de salida .

En la figura 6 se puede ver el circuito rectificador de onda completa, que genera una señal de corriente continua a partir de una señal de corriente alterna, en el cual se muestran todos los semiciclos, y los semiciclos negativos se invierten. Aquí se habla de circuitos rectificadores de onda completa con transformador de toma central y con puente de diodos.

Figura 6. Rectificación de onda completa para una señal de corriente alterna.

Un transformador de toma o tap central, tiene un devanado secundario que se encuentra dividido en dos, lo cual hace que pueda disponer de dos tensiones secundarias, dicha división es denominada toma central.

Figura 7. Rectificador de onda completa con transformador de toma o tap central.

Analizando el circuito en los dos semiciclos de la señal de entrada, obtenemos igualmente que en polarización directa los diodos quedarán en corto y en polarización inversa los diodos se representarían como un circuito abierto, dado esto, en cada uno de los dos análisis encontramos que solamente un diodo está trabajando. Además vemos que en el semiciclo positivo la señal de salida es igual a la señal de entrada , y en el

semiciclo negativo la salida es .

Figura 8. Representación del circuito en .

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Figura 9. Representación del circuito en .

Figura 10. Señal de salida .

Para un circuito rectificador con puente de diodos, el análisis es similar a los anteriores, ya que también se estudia cada semiciclo de entrada para obtener la salida

, y también se toma el modelo de diodo ideal.

Figura 11. Circuito con cuatro diodos en configuración e puente para rectificación de onda completa.

En este tipo de rectificador ocurre algo similar al rectificador de transformador con toma central, ya que en los semiciclos positivos obtenemos que la señal de entrada es igual a la señal de salida y en los negativos la señal de entrada se invierte en la salida, o sea los semiciclos negativos se invierten para igualarlos a los semiciclos positivos. Aquí en ambos casos sólo dos diodos están activos. Para la señal de salida , se

obtiene la misma gráfica que la del transformador con toma central (figura 10).

Figura 12. Representación del circuito en .

Figura 13. Representación del circuito en .

Una fuente de alimentación no regulada se utiliza en aquellos casos en donde las variaciones en la tensión de salida no son críticas. Se encuentran en muchos circuitos de radios, en cargadores de baterías, entre otros. Se usan básicamente por ser de bajo costo y bastante simples. Dentro de las fuentes no reguladas encontramos las fuentes de alimentación con rectificador de media onda, con rectificador de onda completa, con rectificador de puente de onda completa y con multiplicador de tensión.

Figura 14. Diagrama en bloques de una fuente de alimentación no regulada.

II. PROCEDIMIENTO

Para nuestra práctica fue necesario hacer las simulaciones de cada uno de los circuitos que se iban a trabajar en el laboratorio para ello utilizamos un software PROTEUS como ayuda.

Usamos un transformador 6, 0, 6 con tap central en el secundario y en el primario una entrada de red de 120 Vrms, cuya corriente nominal en el secundario era de 1A.

Los riesgos para esta práctica fueron los siguientes:

Al trabajar con baja y media tensión de red se debe tener cuidado con no tocar el circuito cuando este esté vivo. Para cualquier modificación hay que desconectarlo.

La corriente del secundario debe ser menor a la nominal pues de otro modo se recalienta e circuito y podría haber averías en el

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transformador, por esta razón se analiza muy bien las resistencias limitadoras y se pone en serie un fusible de un amperio.

Además de prever los riesgos es necesario:

Que para cualquier modificación de un circuito hay que desconectarlo.

Garantizar el aislamiento de todos los cables. No utilizar cables defectuosos, clavijas de

enchufe rotas, ni aparatos cuyas carcasas presenten defectos.

Se deben utilizar aparatos perfectamente conectados.

Alejar conductos eléctricos de sustancias corrosivas.

Tener cuidado con cortes por utensilios afilados.

CIRCUITOS RECTIFICADORES

Utilizando el circuito rectificador de media onda y los circuitos rectificadores de onda completa medir:

Los voltajes AC y DC sobre la carga

Con el osciloscopio obtener la forma de onda sobre la carga.

Figura 15. Circuito rectificador de media onda.

Figura 16. Circuito rectificador de onda completa.

Figura 17. Circuito de puente rectificador

FUENTES NO REGULADAS

Utilizando una de las configuraciones de rectificador de onda completa, agregue al circuito un condensador en paralelo a la resistencia de carga, usando 4 diferentes valores de condensadores (4.7µF, 47µF, 470µF y 4700µF por ejemplo) a una tensión adecuada.

Probar el circuito con cada uno de los condensadores.

Visualizar en el osciloscopio las formas de onda y con el osciloscopio en AC medir el rizo de salida. Comparar las formas y tensiones obtenidas contra los valores simulados.

FUENTES REGULADAS

Escoger un diodo zener DL, el valor de las resistencias R1, y el valor del condensador D1, para que se cumplan las siguientes condiciones:

- Voltaje D.C en la Resistencia RL de aproximadamente 12 V. Es tolerable una desviación de +/- 0.5 V.

- Voltaje de rizado en la resistencia RL de máximo 0.3 V pico a pico.

- RL es una carga resistiva que puede variar entre 100Ω y 600Ω.

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III. RESULTADOS

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

Figura 15.1. Osciloscopio simulación

Figura 15.2. Osciloscopio

En las Figuras 15.1 y 15.2 podemos ver que el circuito funciono muy bien, logrando rectificar la onda, eliminando el semiciclo negativo, como era deseado.

Tabla 1.

También es evidente que las mediciones resultaron acordes con lo observado en el osciloscopio, al sumar el nivel DC y AC medido en la carga y hacer la conversión a Valor Pico, tenemos que:

VP= (6.93 + 5.56)*√2 = 17.6v

Basándonos en estos resultados, es correcto decir que la preparación fue exitosa.

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

Figura 16.1 Osciloscopio simulacion.

Figura 16.2 Osciloscopio

Tensión [V]Simulación Mediciones

AC DC AC (rms) DC(rms) 6.93 5.56

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En las Figuras 16.1 y 16.2 observamos que el error es casi nulo, la simulación elaborada arroja datos casi reales. Rectificando la señal a un voltaje pico de entre 8 y 9 V, tal cual se esperaba.

Tabla 2.

Al ver los datos de la Tabla 2. Vemos que el nivel DC es bastante alto frente al AC, esto se da porque al rectificar la onda completa, los dos semiciclos van a ser positivos a través de la carga y este no va a tener tanta variación.

PUENTE RECTIFICADOR

Figura 17.1 Osciloscopio simulacion.

Figura 17.1 Osciloscopio simulación.

Observamos que el puente rectificador es un rectificador de onda completa también. Notamos que nuestro diseño acompañado de su simulación logró darnos una muy buena idea del resultado en la realidad.

Tabla 3.

En este circuito podemos notar de nuevo que el nivel DC es más alto que el AC, ya sabemos por qué sucede esto.

FUENTES NO REGULADAS

Condensador 4.7µF

Figura 18.1 Osciloscopio simulación

Tensión [V]Simulación Mediciones

AC DC AC (rms) DC(rms) 2.9 5.2

Tensión [V]Simulación Mediciones

AC DC AC (rms) DC(rms) 5.82 10.4

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Figura 18.2 Osciloscopio

En las Figuras 18.1 y 18.2 vemos que al colocar un condensador de 4.7µF en paralelo con la carga de un circuito rectificador de onda completa, el condensador trata de mantener un voltaje estable, sin embargo en este caso la constante de tiempo EC es muy pequeña y la descarga del condensador es muy rápida, esto genera que la estabilidad del voltaje sea muy pequeña.

Vemos que el voltaje de riso es muy grande, casi igual al de la onda rectificada original. Alcanzando un valor aproximado de 17v

Condensador 47µF

Figura 19.1 Osciloscopio simulación

Figura 19.2 Osciloscopio

El las Figuras 19.1 y 19.2 vemos como a medida que la constante de tiempo RC aumenta, el condensador mantiene más estable el voltaje.

En la Figura 19.2 vemos el voltaje de riso, e cual en este caso es de aproximadamente 9 V.

Condensador 470µF

Figura 20.1 Osciloscopio simulación

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Figura 20.2 Osciloscopio

Notemos que el efecto es muy marcado, en estas figuras (Figuras 20.1 y 20.2) el voltaje de riso con un condensador de 470µF logra disminuirse a 2V, siendo así mucho menor que en los anteriores casos.

Condensador 470µF

Figura 21.1 Osciloscopio simulación

Figura 21.2 Osciloscopio

En las Figura 21.1 y 21.2, notamos la minimizacion del voltaje de rizo, llegando a ser tan pequeño que esta voltaje puede llegar a tomarse como una señal de DC.

En la figura 21.2 vemos que la voltaje de rizo es aproximadamente de 500mV. Es evidente que si siguieramos aumentando el valor de la capacitancia o de la resistencia de carga, este voltaje de rizo se minimizaria exponencialmente.

FUENTES NO REGULADAS

En este punto, notamos que según las especificaciones que nos daban era imposible montar este circuito variando las resistencias como se plantea.

Teniendo en cuenta las mediciones hechas en la practica sabíamos que el voltaje que entregaba el circuito a R1 en serie con DL y RL eran 16V, de allí partíamos para hallarle una solución al problema.

Habiendo seleccionado un diodo 1N4742 para tratar de mantener estable los 12V que nos exigían. Teníamos el siguiente circuito:

I = Iz + IL

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Ahora, por el Datasheet del diodo sabemos que su corriente máxima Imax= 83.3mA, pero por prevención, vamos a toma Imax= 80mA, y su corriente mínima es Imin= 8mA.

Cuando se retire la carga y toda la corriente pase por el

diodo,

Y cuando la corriente mínima pasa por el diodo, entonces por la carga pasa la máxima corriente. Entonces:

Y cuando la corriente máxima pasa por el diodo, entonces por la carga pasa la mínima corriente. Entonces:

De acá podemos concluir que la carga resistiva puede variar entre 166.6 y 1.5kΩ. Para que nuestro diodo no se queme o se salga de su zona de operación.

Aunque en realidad podríamos variar la resistividad de la carga entre 166.6 é ∞Ω. Ya que así pase toda la corriente por el diodo, hemos configurado el circuito para que este no se queme.

IV. PREGUNTAS SUGERIDAS

1. ¿Qué sucede al aumentar el valor de la capacitancia en el circuito rectificador de onda completa? Describa brevemente su efecto sobre el voltaje de rizo.

Rta: al aumentar la capacitancia, la constante de descarga del condensador aumenta, generando que el voltaje de rizo disminuya. Logrando un voltaje mas estable.

2. Compare sus resultados con los resultados teóricos y simulados, ¿Qué puede concluir al respecto?

Rta: aunque hay ciertas diferencias, estas no son muy significativas. Esto nos hace pensar que podemos confiar en nuestros las simulaciones y los resultados teoricos.

3. ¿Qué dificultades encuentra en la realización de las mediciones?

Rta: la parte más difícil al realizar mediciones, es la correcta conexión del osciloscopio, hay que saber seleccionar muy bien nuestra referencia (tierra).

V.CONCLUSIONES

- En este laboratorio afirmamos nuestros conocimientos relacionados con los circuitos reguladores y rectificadores.

- Observamos las ondas rectificadas, y el efecto de los diodos en ellas.

- Comprobamos el efecto de la capacitancia en una fuente no regulada.

- Aprendimos la importancia de diseñar muy bn una fuente regulada.

- Adquirimos mas practica en el manejo de implementos como el osciloscopio y multimetro.

- Observamos la utilidad de los simuladores para predecir que va a pasar en la realidad.

VI. REFERENCIAS

[1] Sedra, Adel S y Smith Kenneth C. Microelectronics Circuits. Oxford University Press. Interamericana. Cuarta Edición. 2000.

[2] Boylestad R. and Nashelsky L. Electrónica y Teoría de Circuitos. Perntice Hall.

[3] Guía de Laboratorio No. 7. Rectificadores de onda y fuentes D.C., del curso de electrónica análoga UN

[4] Guía de Laboratorio No 2, Diodos y sus Características, del curso Electrónica Análoga UN.

[5] Datasheets de diodos: D1N4004, D1N4742A[6] Bitácora de laboratorio de Análoga I.

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