Laboratorio de

Electrónica

Fuentes de alimentación Trabajo Práctico

Agustín Mazzeo Costales Brandon Walsh

3ero C – Técnica

2012

Objetivo: Obtener una tensión constante a partir de la red domiciliaria 1- El siguiente circuito corresponde a un circuito rectificador de ½ onda. La red eléctrica domiciliaria está simbolizada como un generador de 220V/50Hz, está el transformador T1 de 12V y a continuación, un diodo en serie a una resistencia de 1KΩ.

2-

Señal VAB (Transformador) A= 17V Escala:

f=50KHz (sinusoidal) Tensión: 5V Período: 19,8ms Tiempo: 2ms

En esta imagen se puede ver la señal del transformador (VAB). Su amplitud es de 17V, se puede calcular al hacer el fondo de escala por la cantidad de cuadrados de un semiciclo, o sea 5Vx3,4 cuad. El período de la señal es de 19,8 ms, pudiéndose calcular al hacer el fondo de escala por lo que ocupe el ciclo completo: 2ms x 9,9 cuad. El transformador es de 220V a 12V (alterna, valor eficaz), por lo tanto es completamente racional que la amplitud de esta señal de 17 V ya que el osciloscopio mide valor real. Si calculamos lo que sería el valor eficaz de esta señal, tendríamos que hacer 17V/√2, lo que nos daría12,02V. Para comprobar si estamos midiendo bien la señal podemos calcular su frecuencia: 1/período= 1/19,8ms= 50,50 Hz. La frecuencia de la red domiciliaria es de 50Hz, por lo tanto la señal es correcta.

Señal VCD (resistencia) A= 8,125V Escala:

f=50KHz (sinusoidal) Tensión: 5V Período: 19,8ms Tiempo: 2ms

Esta imagen es en realidad la de CHOP, que dibuja a VAB y VCD en el mismo gráfico. Sin embargo, la vamos a utilizar para ver la señal VCD ya que no le sacamos foto a la misma sola. Como se puede observar, en el semiciclo positivo la amplitud de la señal de la resistencia es un poquito menor que la del transformador. Esto se debe a que cuando entrega positivo, a la resistencia le caen los 17 V menos los 0,7V del diodo, que está en directa. En cambio, cuando la señal de la red es negativa, el diodo queda en inversa, cayéndole a él los 17V y nada sobre la resistencia: se puede observar que el semiciclo negativo está recortado, con 0V de tensión en todo el semiciclo. Además se puede ver que el período de la señal es el mismo, o sea 19,8ms. De esta manera podemos verificar otra vez que la frecuencia es 50Hz y comprobar que se midió bien.

Señales VAB y VCD en un mismo gráfico

Esta imagen corresponde a las dos señales dibujadas en el mismo gráfico. Se utilizó CHOP en vez de ALT, porque la función CHOP del osciloscopio es para bajas frecuencias, siendo 50HZ una frecuencia muy baja (es por eso que al medir oscila tanto la señal). En cuanto a los períodos se pude ver claramente que las dos señales tienen el mismo período de 19,8ms y, por lo tanto, la misma señal de 50Hz. En cuanto a los valores de tensión, en el semiciclo positivo se puede ver, que las señales coinciden, teniendo VCD una amplitud un poco menor que VAB. Esta diferencia ya explicada corresponde a los 0,7V que le caen al diodo ya que en el semiciclo positivo queda en directa. En cambio, en el semiciclo negativo se puede ver a la señal de la resistencia totalmente recortada, ya que toda la tensión cae en el diodo por quedar en inversa.

3- Señal VAC (Diodo)

A= 8,75V Escala: f=50KHz (sinusoidal) Tensión: 5V

Período: 19,8ms Tiempo: 2ms

En esta imagen está dibujada la señal del diodo. La amplitud de esta señal es de 8,75V mientras que el período sigue siendo de 19,8ms porque la frecuencia de 50Hz nunca va a cambiar (es la red domiciliaria). Como se puede observar en el gráfico, la señal está totalmente recortada en su parte positiva. Teóricamente, en el semiciclo positivo, el diodo queda en directa y le caen los 0,7V de su tensión de codo. Sin embargo, en el gráfico se ve que la tensión es 0V. Esto se debe a que 0,7V es una tensión extremadamente chica para ser medida por el osciloscopio, más aún con un fondo de escala de 5V. Si haríamos el cálculo, 0,7V es aproximadamente la séptima parte de 5V, por lo que correspondería a la séptima parte de un cuadrado de división de 5V. Entonces, ya podemos ver el tema de la imprecisión de los instrumentos de medición como factor del error o la inexactitud al medir. En cuanto al semiciclo negativo de la señal, se puede ver claramente que está completo. Esto se debe a que, al quedar en inversa, los 17V del transformador caen sobre él. 4- Con el multímetro, selector en tensión alterna: VAB = 12,5V Como ya hemos explicado anteriormente, el voltímetro mide valor eficaz mientras que el osciloscopio mide valor real. Por lo tanto, si hacemos el cálculo de 12,5Vx√2 nos va a dar 17,68V. El valor real que habíamos medido con el osciloscopio era de 17V. La diferencia de 0,68V se debe a la imprecisión de los instrumentos, tanto del voltímetro como del osciloscopio. 5- Con el multímetro, selector en tensión continua: VCD = 6V En este caso ocurre lo mismo que con la tensión del transformador medida anteriormente. Al hacer 6,2Vx√2 nos da 8,77V mientras que el valor real medido por el osciloscopio fue de 8,125V. Otra vez, la diferencia de 0,65V se debe a la imprecisión de los instrumentos (además del error que se propaga al hacer divisiones y multiplicaciones con la calculadora)

6- a- Al circuito anterior se le agregó un capacitor de 10µF (C1) entre C y D, es decir en paralelo a la resistencia:

A continuación se repetirán los mismos puntos que realizamos para el caso del circuito anterior, ahora habiendo agregado el capacitor de 10µF.

Señal VAB (Transformador)

A= 17V Escala: f=50KHz (sinusoidal) Tensión: 5V

Período: 19,8ms Tiempo: 2ms

Como se puede ver, la señal VAB sigue siendo exactamente la misma, con una amplitud de 17V y un período de 19,8ms. Siempre que se mide VAB va a dar igual porque es la señal de la red domiciliaria 220V transformada a 12V, es imposible que varíe.

Señal VCD (Capacitor) A= 6,5V Escala:

f=50KHz (sinusoidal) Tensión: 5V Período: 19,8ms Tiempo: 5ms

Esta señal corresponde a la señal del capacitor. Se ha cambiado el fondo de escala de tiempo pero el período sigue siendo el mismo de 19,8ms porque la frecuencia es la misma. Durante el primer cuarto del ciclo positivo el diodo está conduciendo, con lo cual se puede observar que el capacitor se carga hasta los 17V. Cuando la tensión de entrada comienza a bajar (es decir, cuando está comenzando el segundo cuarto del ciclo positivo), el diodo no conduce. Esto es porque el capacitor tiende a mantener la tensión entre sus terminales, lo que indica que la tensión del cátodo del diodo va a ser mayor que la del ánodo (por lo tanto el diodo queda en inversa). Con el diodo en inversa, el capacitor se va a descargar a través de la R (que funciona como Rc). En el gráfico se puede ver que cuando asciende la curva en el primer cuarto del ciclo positivo, el capacitor se está cargando, llega hasta el Valor pico, y la curva comienza a descender: el capacitor se está descargando a través de la R. Este tiempo de descarga es de 14 ms (2,8 cuad.x5ms).

Señales VAB y VCD en un mismo gráfico

Esta imagen corresponde a las dos señales dibujadas en el mismo gráfico. Se utilizó otra vez CHOP en vez de ALT, por ser 50Hz una frecuencia muy baja. El fondo de escala del tiempo de VCD, que estaba en 5ms, se fijó en 2ms para poder comparar con VAB en el mismo fondo de escala. Como se puede observar en el gráfico se han indicado dos cosas: Con negro se indicó td, es decir, el tiempo de conducción del diodo. Se puede ver que el tiempo de conducción del diodo es un tiempo menor al de un semiciclo. Con rojo se marcó Vr, que es la llamada tensión de ripple (indica la variación en la V de salida). El gráfico nos muestra que la tensión de ripple es de 13V (el Vpp de la señal del capacitor) 3-

Señal VAC (Diodo) A= 15V Escala:

f=50KHz (sinusoidal) Tensión: 5V Período: 19,8ms Tiempo: 5ms

Al medir la señal nos quedaba muy abajo y no se veía prácticamente, por lo tanto tuvimos que subir el tierra 2 cuadrados de división para arriba. La señal es negativa (no hay semiciclo positivo) ya que el capacitor provoca que el cátodo del diodo sea siempre más positivo que el ánodo. De esta manera el diodo siempre queda en inversa. En el gráfico se puede ver que la señal en un momento forma una continua, debido a que el capacitor genera una diferencia de potencial entre A y C. 4- Con el multímetro, selector en tensión alterna: VAB = 12,5V VAB sigue siendo la tensión del mismo transformador, por lo tanto vuelve a medir 12,5V en alterna. 5- Con el multímetro, selector en tensión continua: VCD = 12V 12Vx√2 nos da aproximadamente 17V. Hay que considerar que el selector está en continua, pero igual creemos que debería dar un poco menos de 17V porque ese es el valor real del transformador. 6-b- El circuito que a continuación se presenta es el mismo que el caso anterior, con la diferencia de que en vez de utilizar un capacitor de 10µF usamos uno de 470µF.

A continuación se repetirán los mismos puntos que realizamos para el caso del circuito anterior, ahora habiendo cambiado el capacitor anterior por el de 470 µF.

Señal VAB (Transformador)

A= 17V Escala: f=50KHz (sinusoidal) Tensión: 5V

Período: 19,8ms Tiempo: 2ms

La señal VAB sigue siendo exactamente igual, con una amplitud de 17V y un período de 19,8ms porque estamos midiendo siempre lo mismo.

Señal VCD (Capacitor) A= 15V Escala:

f=50KHz (sinusoidal) Tensión: 5V Período: señal continua Tiempo: 5ms

Como se puede ver en la imagen, agregando un capacitor de 470µF al rectificador de onda completa, ya logramos obtener lo que no habíamos podido obtener en el caso anterior cuando usamos un capacitor de 10µF: una señal continua, es decir constante en el tiempo. Lo que ocurrió acá fue que, debido al tamaño del diodo, el ripple disminuyó tanto que la señal terminó siendo una continua. De esta manera podemos afirmar que, al aumentar la capacidad, disminuye el ripple y viceversa.

Señales VAB y VCD en un mismo gráfico

En esta imagen se ven las dos señales dibujadas en el mismo gráfico. Las señales estaban con diferentes fondos de escala de tiempo; sin embargo, al ponerlos igual no cambiaba absolutamente nada porque VCD es una señal continua, por lo tanto constante en el tiempo. 3-

Señal VAC (Diodo) A= 18V Escala:

f=50KHz (sinusoidal) Tensión: 5V Período: 19,8ms Tiempo: 2ms

En este caso, al medir nos ocurrió lo mismo que la medición anterior de VAC con el tema del tierra: la señal quedaba muy abajo, por lo tanto lo fijamos 3 cuadrados para arriba. En cuanto a la amplitud de la señal, que es 18V, nos damos cuenta que no puede superar a la tensión de salida del transformador (que era 17V valor real), por lo tanto creemos que esto se debe a que al medir este punto habíamos cambiado de transformador, por lo tanto la tensión debía ser un poco más de 12V Vrms. Se puede observar que todo el ciclo de la señal es negativo. Esto se debe a que debido a la presencia del capacitor, en todo momento el cátodo es más positivo que el ánodo, y por lo tanto el diodo siempre está en inversa. Que se forme una sinusoidal entre A y C indica que el capacitor mantiene siempre cargado el circuito 4- Con el multímetro, selector en tensión alterna: VAB = 12,54V VAB sigue siendo la tensión del transformador, por lo tanto vuelve a medir lo mismo que en todos los casos.

5- Con el multímetro, selector en tensión continua: VCD = 15,9V 7- El siguiente circuito vuelve a utilizar un capacitor de 10µF, pero se cambia la resistencia de 1KΩ por una de 10KΩ.

Señal VCD (Capacitor)

A= 1,5V Escala: f=50KHz (sinusoidal) Tensión: 5V

Período: 16ms Tiempo: 5ms

Acá podemos ver que al volver a utilizar el capacitor de 10µF aparece de nuevo el ripple, lo que nos dice nuevamente que al disminuir la capacidad aumenta el ripple y viceversa. En este caso, la tensión de ripple es de 3V. El tiempo de descarga sigue siendo el mismo: 14ms, calculándolo al hacer la parte del tiempo en que se descarga por el fondo de escala (2,8 cuad.x5ms). En conclusión, la única diferencia con el ejercicio 6-a-2 es que en este caso el ripple es de 3V mientras que en el otro caso era de 13 V. Siendo en ambos casos el capacitor igual a 10µF, esta diferencia en la tensión de ripple se debe al aumento de la resistencia. Como conclusión luego de hacer este circuito podemos decir que no solo la capacidad influye en el valor del ripple sino también la resistencia: a mayor capacidad, menor ripple; de la misma manera, a mayor resistencia, menor tensión de ripple. Con el tester en continua: VCD=15,30V

8- A continuación se retiró del circuito la resistencia conectada entre C y D:

Señal VCD (Capacitor) A= 8,5V Escala:

f=50KHz (sinusoidal) Tensión: 5V Período: señal continua Tiempo: 5ms

En este caso, al sacar la resistencia, el capacitor no tiene dónde descargar y por lo tanto genera una señal continua. La amplitud de esta señal continua es de 8,5V y obviamente es constante en el tiempo. No se forma ripple porque no hay descarga. 9- Con el capacitor de 470µF, se coloca entre C y D un led indicador de encendido. Se necesita incluir también en serie al led una resistencia para que el mismo no se queme. Cálculos para determinar qué resistencia poner: Primero medimos la tensión del capacitor para saber cuánta tensión iba a caer en la rama: Al medir con el tester nos dio que la tensión en el capacitor era de 36V. Luego, supusimos que la corriente que circularía por la rama estaría entre los 5mA y los 15mA. De esta manera, teniendo la Imínima y la Imáxima, y sabiendo que la tensión del led era 2V, calculamos la Rmín y la Rmáx: Rmín= (36V-2V)/15mA Rmín= 2266Ω Rmáx= (36V-2V)/5mA Rmáx= 6800Ω De esta manera, sabiendo el rango posible para la resistencia, elegimos un valor normalizado que esté dentro de ese rango: 4,7KΩ.

Luego medimos con el osciloscopio la tensión de la rama donde se colocó el led, para corroborar que la resistencia colocada no fuera más chica de lo que debía ser (para que no se deteriore el led por exceso de corriente).

Siendo el fondo de escala de 1V, la amplitud de la señal es de 0,6V. Por lo tanto, siendo el led de 2V, el cálculo fue correcto y el circuito va a funcionar con normalidad. Por último, le sacamos una foto al circuito con el led indicador encendido:

Conclusiones finales y observaciones: A medida que realizábamos cada circuito fuimos sacando conclusiones y haciendo observaciones de lo que ocurría. Teniendo en cuenta ello, a continuación indicaremos las más importantes del trabajo: - La primera conclusión es que la tensión de ripple se ve influenciada por dos factores: la capacidad y la resistencia. En las mediciones verificamos que: cuanto más grande es el capacitor, menor va a ser la tensión de ripple, y viceversa. De la misma manera, cuanto más grande sea la resistencia sobre la que el capacitor descarga, menor va a ser la tensión de ripple, y viceversa. - Al medir VCD con el tester, en continua, en los diferentes circuitos, pudimos comprobar que el valor era cada vez más parecido cuanto más bajo era la V de ripple. Esto se debe a que cuanto menor es el ripple, la señal se asemeja más a una continua. De esta manera, en el ejercicio 6-b la señal VCD había dado una continua de 15V. Por eso, cuando medimos con el tester nos dio un valor muy cercano: 15,3V. Contrariamente, en el ejercicio 6-a el ripple era muy grande; por eso, la señal era de 6,5V y al medir con el tester nos dio 12V. -Comprobamos que el osciloscopio mide el valor real de la señal mientras que el tester mide el valor eficaz. -Como observación podemos nombrar la inexactitud en ciertas mediciones. Esto se debe a la imprecisión de los instrumentos de medición (tanto del osciloscopio como del tester), a factores como el error de paralaje al medir en el osciloscopio y contar las divisiones, y también el error que se propaga al hacer multiplicaciones y divisiones, incluyendo el redondeo de decimales.