Grado 1

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Fundamentos de Ingeniería Electrónica.

Fundamentos de Ingeniería ElectrónicaGrado en Ingeniería Electrónica Industrial y Automática, Tecnologías

Industriales, Ingeniería Mecánica, Ingeniería de la Energía

Sesión 13: Ejercicios con Diodos. Conceptos de Energía y Rendimiento

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Índice

Ejercicios con Diodos.● Repaso de teoría● El diodo zener. Regulador de tension con Zener.● Ejemplos.

Concepto de Energía y Rendimiento.● Fuentes de alimentación. Conversor AC/DC● Conceptos básicos.● Parámetros típicos de una fuente de alimentación.● Diagrama de bloques de una fuente de alimentación.

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Curva Característica (repaso)

ID

VD

)1( TD

V

V

SD eII

Vg

-Vr

-VZ

–

VD

ID

ÁNODO (zona p)

CÁTODO (zona n)

SD II

D OND OFFD ZENER

D

Tensión de ruptura

Tensión zener Tensión umbral

ID la que

solicite el

circuito

Efecto avalancha

Efecto zener

¿Destrucción?

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Modelos de circuito equivalente

(repaso)

ID

VD

Zona 2: Directa y corte

Vg

D OFFA C

ID = 0

0 0

A C

+ -Vg

Fuente de

tensión

D ON

Zona 1: Diodo Ideal

Directa y conducción

VD

ID

0V

D ONVD = 0

ID > 0

Corto

Circuito

A C

CURVA CARACTERÍSTICA REAL

VS. APROXIMACIONES

VDVg

-Vr

-VZ

D OND OFF

D ZENER

inversa directa

ID

Z1Z2Z3Z4

+ –VD

ID

A C

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Ej 1: Recortador con 2 diodos

Obtenga VD1, ID1, VD2 y ID2 utilizando la 2ª aproximación del

diodo (caída de tensión constante, Vg = 0.7V en directa) para los

diodos D1 y D2.

R1=5k

Vs=5.7V

+

-

D2

D1

R2=10k

+

+

-5V

+

-

Vo

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Ej 1: Recortador con 2 diodos

Obtenga VD1, ID1, VD2 y ID2 utilizando la 2ª aproximación del

diodo (caída de tensión constante, Vg = 0.7V en directa) para los

diodos D1 y D2.

R1=5k

Vs=5.7V

+

-

D2

D1

R2=10k

+

+

-5V

+

-

Vo

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Regulador de tensión Zener

VDC

Tensión de

rizado (Vrpp)

t

Vi

Vz

t

VoVD

-VZ

D ZENER

inversaID

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Ej. 2: Circuito regulador Zener

Represente las señales Vi(t) y

Vo(t) en función del tiempo, y la

función de transferencia Vo

frente a Vi.

Suponga que aplica en Vi una

tensión sinusoidal de 1kHz y

10Vpp, que las resistencias R y

RL son iguales a 1kΩ, y que el

diodo zener posee una tensión

Vg distinta de 0 V.

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t Media Onda Onda Completa

t

t

VDC

Tensión de

rizado (Vrpp)

t

VDC

t

Fuente de alimentación. Conversor AC-DC

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Conceptos de Energía y Rendimiento

La fuente de alimentación convierte la energía eléctrica desde un “generador” a una “carga” que debe ser alimentada con unas “especificaciones” de tensión y corriente

determinadas

GENERADOR DE ENERGÍA ELÉCTRICA

La red alterna de distribución de energía

(Ejemplo: red europea 50 Hz, 230 Vca)

CARGA ELÉCTRICA

Circuitos analógicos y digitales del

sistema electrónico

(Ejemplo: +5V, +3,3V para circuitos digitales)

+

-

iE(t)

+Vcc

0 V

Fuente de

alimentación

+

-

io(t)CARGA

GENERADOR

𝒗𝑬(𝒕) 𝒗𝒐(𝒕)

t

𝒗𝑬

t

Vcc

𝒗𝒐

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Grado 11

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Conceptos Básicos

La POTENCIA INSTANTÁNEA se expresa en Vatios

(W) y es el producto instantáneo de la tensión y la

corriente

( ) ( )· ( )p t v t i t

La ENERGÍA se expresa en Julios (J) y es la integral

de la potencia instantánea𝐸 =

𝑡1

𝑡2

𝑝(𝑡)

Es la única definición de potencia asociada a la energía eléctrica que se puede transformar

en calor, luz, energía mecánica, etc..

A la potencia media se le conoce como POTENCIA ACTIVA

Si las formas de onda de corriente y tensión son periódicas, se define la POTENCIA

MEDIA como el valor medio de la potencia instantánea

𝑃 =1

𝑇

0

𝑇

𝑝 𝑡 ∙ 𝑑𝑡 =1

𝑇

0

𝑇

𝑣 𝑡 ∙ 𝑖 𝑡 ∙ 𝑑𝑡

Grado 12

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Conceptos Básicos

• POTENCIA INSTANTÁNEA

Ejemplo:

𝑣(𝑡) = 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 ∙ s𝑒𝑛 𝑡

𝑖(𝑡) =𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜

𝑅∙ s𝑒𝑛 𝑡

𝑝(𝑡) =𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜2

𝑅∙ 𝑠𝑒𝑛2𝑡

R

+

-

i(t)

+

-

𝒗𝑬(𝒕) 𝒗𝒐(𝒕)

𝑣𝐸 𝑡 = 𝑣𝑜 𝑡 = 𝑣(𝑡)

𝐸 =

0

𝑡

𝑣 𝑡 ∙ 𝑖 𝑡 ∙ 𝑑𝑡 =

0

𝑡

𝑅 ∙ 𝑖 𝑡 ∙ 𝑖 𝑡 ∙ 𝑑𝑡 =

0

𝑡

𝑅 ∙ 𝑖 𝑡 2 ∙ 𝑑𝑡 =

0

𝑡𝑣 𝑡 2

𝑅∙ 𝑑𝑡

t

i(t)

t

p(t)

v(t)

0 t

𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜

• ENERGÍA

• POTENCIA ACTIVA (POTENCIA MEDIA)

𝑃 =1

𝑇

0

𝑇

𝑝 𝑡 ∙ 𝑑𝑡 =1

𝑇

0

𝑇𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜2

𝑅∙ 𝑠𝑒𝑛2𝑡 =

1

𝑅∙1

𝑇

0

𝑇

𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜2 ∙ 𝑠𝑒𝑛2𝑡 =

𝑉𝑒𝑓2

𝑅

Grado 13

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Conceptos Básicos

Se diseña con ALTO RENDIMIENTO porque significa: Ahorro energético (menor coste de la energía eléctrica) Aumento autonomía (menor descarga de las baterías) Reducción de las pérdidas

PÉRDIDAS = CALOR

𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝜂 =𝑃0𝑃𝐸=

𝑃0𝑃𝑜 + 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠

𝜂 = 50% 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 𝑃𝑜 Alta temperatura Menor fiabilidad Menor tiempo vida

Necesidad sistemas refrigeración y disipadores Complicación mecánica y coste Tamaño Peso

+Vcc

0 V

Fuente de

alimentación

CARGAGENERADOR

Potencia

entrada𝑃𝐸

Potencia

salida𝑃0

𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠Pérdidas de

Potencia

Fuente:

http://www.cablecom.es/product_info.php?manufacturers_id=16&products_id=439http://www.cablecom.es/product_info.php?manufacturers_id=16&products_id=439

Grado 14

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Parámetros típicos de una fuente de alimentación

V

I

Una FUENTE IDEAL proporciona una tensión V independientemente de la corriente I que

circule por ella

Ejemplo: la batería de un vehículo

+

-

+

-

+

- ∆ 𝑉𝐵𝐴𝑇∆ 𝐼𝐵𝐴𝑇

= 𝑅𝐵𝐴𝑇Impedancia de salida de la fuente

Una FUENTE REAL proporciona una tensión V que depende de la corriente I que

proporciona

IV

+

-

𝑽𝑩𝑨𝑻

𝑰𝑩𝑨𝑻

𝑹𝑩𝑨𝑻𝑽

14 V

12 V

13 V∆ 𝑉𝐵𝐴𝑇

∆ 𝐼𝐵𝐴𝑇𝑰𝑩𝑨𝑻

𝑽𝑩𝑨𝑻

Grado 15

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Fundamentos de Ingeniería Electrónica.

Parámetros típicos de una fuente de alimentación

La CALIDAD de la conversión de la fuente de alimentación se mide con:

Factor de regulación de línea

Factor de regulación de carga

(impedancia de salida)

∆ 𝑉𝑜

∆𝐼𝑜

∆ 𝑉𝑜

∆𝑉𝐸

Rizado de tensión máximo admisible ∆ 𝑉𝑜(valor típico menor del 1% del valor de Vo)

t

La fuente de alimentación debe

proporcionar una tensión fija Vo,

independiente de los valores de Io y

+

-

Fuente de

alimentación

+

-

Vo

Io

CARGAVE

∆ 𝑉𝑂

𝑰𝑶

𝑽𝑶

𝑽𝑶∆ 𝑉𝑂

∆ 𝑉𝑂

𝑽𝑶

VE

VE

Grado 16

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Diagrama de bloques de una fuente de alimentación típica

+

-

iE(t)

Fuente de

alimentaciónvE(t)

+

-

vo(t)

io(t)

CARGA

t

vE(t)

t

vo(t)

TRANSFORMADOR

t

t

vE(t)

FILTRORECTIFICADOR

C

t

ALTERNA ALTERNA REDUCIDAALTERNA CON

VALOR MEDIOCONTINUA (CON RIZADO)

R

Estabilizadoró

Reguladorde tensión

t

vo(t)

CONTINUA

Grado 17

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Ejemplo 1

+

-

+

-+

-

N1 N2

50 Hz

230 Vrms

v1(t)v2(t)

vo (t)R=100

D1

D2D3

D4

22

1 N

N

+

-

+

-+

-

N1 N2

50 Hz

230 Vrms

v1(t)v2(t)

vo (t)R=100

D1

D2D3

D4

C R

io(t)

El circuito de la figura permite alimentar desde una fuente de tensión alterna de 230

Vca y 50 Hz, una carga R de 120 Ω con una tensión continua. Suponiendo los

componentes ideales y considerando que el valor de C es suficientemente elevado para

reducir el rizado de la tensión de salida a un máximo de un 5% del valor de la tensión de

pico del secundario, Se pide:

1. Calcular el valor de C

2. Calcular el valor medio de la tensión de salida Vo

3. Calcular la potencia entregada a la carga considerando que la tensión Vo es

continua e igual a su valor medio

Grado 18

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Ejemplo 2

RL=6 kΩ

+

Vo

-

R=1,2 kΩ+

VE

-

-1 mA

-10,1V

-10,05V

-20 mA

0,7 V 1,1 V

IAK

VAK

1 mA

5 mA

Una fuente de tensión continua cuyo calor

varía entre 18 y 24 V alimenta una carga RL

con el circuito de la figura. Sabiendo que la

característica del diodo zener es la

proporcionada, se pide:

1. Determinar el factor de regulación de línea

2. Calcular el rendimiento mínimo del

circuito

3. Calcular la potencia máxima disipada en

todos los elementos del circuito

1 V

-10V