equipos de almacenamiento generico: uso de capacitores para corregir el voltaje de rizo

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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UNIVERSIDAD VERACRUZANA

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2

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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3

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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4

RECOMENDACIONES ............................................................... 69

APÉNDICES .................................................................................. 70

Capacitores en serie .................................................................. 70

Capacitores en paralelo ............................................................ 71

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................. 72


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5

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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6

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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7

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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8

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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9

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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10

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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11

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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12

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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14

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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15

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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16

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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17

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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18

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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19

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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20

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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21

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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22

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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23

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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24

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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27

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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29

… (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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30

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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31

… (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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BIBLIOGRAFÍABOYLESTAD, R. L. (2011). INTRODUCCIÓN AL ÁNALISIS

DE CIRCUITOS. PEARSON.

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