Laboratorio 2

UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓNFACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Pre-Informe N°2, Laboratorio de Electrónica (543243)

Fuente de Poder Regulada con diodo Zener

Felipe García EncinaEsteban Llano Barriga

Profesor Jorge Salgado S.Diego Ramírez

Concepción, Agosto de 2015

Tabla de Contenidos

1. MARCO TEÓRICO................................................................................................................................................1

2. DESARROLLO DE ACTIVIDADES PREVIAS..................................................................................................1

2.1. PREGUNTA 1..........................................................................................................................................................22.2. PREGUNTA 2..........................................................................................................................................................22.3. PREGUNTA 3..........................................................................................................................................................32.4. PREGUNTA 4..........................................................................................................................................................3

3. DESARROLLO DE ACTIVIDADES DE LABORATORIO..............................................................................4

3.1. ACTIVIDAD 1.....................................................................................................................................................4-63.2. ACTIVIDAD 2.....................................................................................................................................................6-83.3. ACTIVIDAD 3...................................................................................................................................................8-113.4. ACTIVIDAD 4.................................................................................................................................................12-15

4. TABLA DE MATERIALES E INSTRUMENTOS............................................................................................15

5. PAUTA DE EVALUACIÓN.................................................................................................................................16

ANEXO A. BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................................................16

ANEXO B. HOJAS TÉCNICAS..............................................................................................................................17

1

1. Marco Teórico

Una fuente de poder Regulada se compone de 4 bloques básicos definidos como:

Transformador de entrada Rectificador Monofásico, Filtro Capacitivo y Circuito regulador de salida.

El Transformador de Entrada provee aislación de la red eléctrica y permite reducir la tensión de alimentación de 220VAC a la tensión alterna requerida por diseño a la entrada del circuito rectificador.El circuito Rectificador permite obtener una tensión continua a partir de una tensión alterna. Los circuitos rectificadores monofásicos pueden clasificarse en rectificadores de media onda y rectificadores de onda completa (Push-Pull y Puente de Graetz).

El bloque Filtro se compone básicamente de un condensador electrolítico de elevado valor (valores típicos mayores a 1000 μF). Este permite reducir la ondulación del voltaje del circuito rectificador y mejorar la regulación de voltaje de salida.

Un Circuito regulador de tensión permite mejorar la calidad de la señal rectificada, entregando a su salida una señal continua con un voltaje ripple despreciable. Este puede implementarse utilizando un circuito basado en un diodo Zener a la salida de la fuente de poder. Los diodos Zener al operar polarizados en forma inversa, mantienen una caída de tensión prácticamente constante independiente de la corriente que circule a través de ellos, siempre y cuando ésta permanezca dentro de la zona de regulación definida por la potencia máxima del diodo.

Carga

Transformador Rectificador Filtro Regulador

Red Eléctrica

1 2 3 4 5

Fig. 1 Diagrama de bloques de una fuente de poder regulada con diodo Zener.

Rf Cf

Rs

RL

+

220V/50Hz

_

Transformador de Entrada

Rectificador Puente de Graetz

Filtro de SalidaCircuito

ReguladorRed Eléctrica Carga

+

Vs

-

1 2 3 4 5

Fig. 2 Fuente de Poder Regulada con diodo Zener.

2

2. Desarrollo de Actividades Previas

2.1. Pregunta 1: ¿Por qué es necesario emplear un filtro entre el

circuito rectificador y el regulador?

Porque el diodo zener trabaja sobre la zona de ruptura, mediante el efecto de avalancha, por

lo cual necesita superar el voltaje de ruptura, Vz, del mismo. Lo que hace el filtro es asegurar que

siempre se cumpla esta condición, y no sólo en intervalos de tiempo particularessss.

2.2. Pregunta 2: Describa detalladamente el principio de

funcionamiento de un diodo Zener.

El diodo zener polarizado directamente, funciona igual que un diodo rectificador. La utilidad

del diodo zener aparece cuando se polariza de modo inverso, ya que es capaz de mantener un voltaje

fijo para “cualquier” corriente que se necesite cuando este es ideal. En la realidad, el diodo zener

tiene una corriente máxima Izmax de circulación, la cual la proporciona el fabricante. La corriente

mínima, Izmin, se toma como el 10% del valor de la corriente máxima, ya que con esto se asegura que

el diodo está efectivamente en la zona de ruptura. A continuación se muestra la curva de

funcionamiento del diodo zener.

Fig. 3 Curva funcionamiento diodo Zener

3

2.3. Pregunta 3: ¿Qué se entiende por curva de regulación de carga?

Es la parte de la curva característica del diodo zener en la cual puede regular un voltaje se

mantiene constante a pesar de la corriente que circule por este, la imagen que se adjunta a

continuación muestra exactamente donde ocurre esto.

Vz

Rz

Izmín

Izmáx

I

VPérdida de Regulación

Zona de Regulación

Límite de potencia: Daño del diodo

Zener

Fig. 4 Zona regulación diodo Zener

2.4. Pregunta 4: ¿Cúal es principal ventaja de utilizar rectificación en

onda completa en lugar de media onda?

Debido a que la rectificación de onda completa tiene el doble de frecuencia de la señal que la

rectificación de media onda, la ventaja es que aumenta el valor medio de la señal.

Esto se traduce en un aumento de la eficiencia respecto al rectificador de media onda ya que este

solo entrega la mitad de la energía disponible en una onda AC puesto que cuando la onda AC es

negativa, el rectificador produce 0 Volts. Por otro lado el rectificador de onda completa si considera

la parte negativa de la onda AC lo cual lo convierte en una mejor opción.

4

3. Desarrollo de Actividades de Laboratorio

3.1. Actividad 1

Implementar una fuente de poder no regulada utilizando un transformador de aislación

220V/6V-0V-6V/500mA, diodos 1N4007 y una carga resistiva pura, para una corriente de carga

máxima 160 [mA]. Utilice un diodo LED para generar una señal luminosa que indique cuando la

fuente de poder está energizada.

Fig. 5 Diseño propuesto para actividad 1

En esta actividad se utiliza un transformador reductor de derivación central conectado a una

tensión de 220 V RMS, el cual tiene una razón de vueltas 18.3:1 para que entregue un voltaje de 6

V. Este transformador está conectado a un par de diodos 1N4007 los cuales actúan como

rectificadores de onda completa, además existe un diodo LED, el cúal tendrá el propósito de indicar

si la fuente está energizada o apagada.

Para este diseño se consideraron las siguientes especificaciones:

1.- El diodo LED utilizado posee un voltaje minimo de 1.8 V con una corriente máxima de

50 mA según el datasheet.

2.- La corriente máxima que puede existir en la carga es de 160 mA

3.- Los diodos 1N4007 poseen una caída de tensión de 0.7 V debido a que son de silicio

5Basándose en el diseño de la figura 5, las ecuaciones que rigen el diseño para un rectificador

de onda completa están dadas por:

Como sabemos que cada diodo es de silicio, la caída de tensión que genera cada diodo es de

0.7 V, además utilizando los valores peak que entrega el transformador, haciendo una lvk, tenemos

que:

6∗√2−0.7−RL∗Imáx=0(3.1)

RL=6∗√2−0.7

0.160=48,656 Ω (3.2)

Si miramos los valores comerciales de resistencias, notamos que existen algunas con valores muy cercanos de 47 Ω y 56 Ω, por seguridad, utilizaremos la resistencia de 56 Ω para garantizar que la corriente máxima de carga no sobrepase el límite permitido de 160 mA, así:

RL=56 Ω (3.3)

De manera similar, para calcular Rled , utilizaremos un led rojo el cual posee un voltaje de 1.8 V con una corriente máxima de 20 mA, haciendo otra lvk en la rama del led, tenemos que:

6∗√2−0.7−RLed∗I led−1.8=0 (3.4)

y de (3.4) se obtiene la resistencia de segurar para la luz led:

Rled=6∗√2−0.7−1.8

0.02

Rled=247,264 Ω (3.5) Nuevamente, utilizando valores comerciales cercanos, notamos que una mejor opción para la Rled está dada por

Rled=220 Ω (3.6)Finalmente podemos realizar una tabla de elementos estandarizados propuestos para la actividad 1

Tabla 1. Elementos Estandarizados, diseño 1.

Elemento ValorRL 56 [Ω]

6Rled 220 [Ω]

3.2. Actividad 2

Visualizar las formas de onda en cada componente (Fig.1: señales 2 y 3) y obtener la curva

de regulación de carga. Tabular voltajes y corrientes AC, DC, y el voltaje de ripple en la salida

Mirando la figura 6, podemos notar la onda AC que entrega el transformador y la onda

rectificada por el par de diodos, si miramos detenidamente la figura 6, vemos que la onda

rectificada por los diodos es aquella que tiene forma de pulsos en la parte positiva del gráfico, es

pulsante debido a que aún no se implementa un filtro para estabilizar la salida rectificada.

Fig. 6 Formas de onda

7Fig. 7 Valores simulados

Mirando la figura 7, podemos tabular los siguientes datos:

Tabla 2. Mediciones en la simulación, diseño 1.

Medición Valores simulados

Voltaje peak en primario del transformador 311.12 V

Voltaje peak en el secundario del transformador 8.48 V

Voltaje peak to peak rectificado 7.68 V

Voltaje DC Rectificado 4.66 V

Voltaje DC en la carga 1.59 V

Corriente Peak to Peak en la carga 137 mA

Corriente DC en la carga 83.2 mA

Frecuencia entrada 50 Hz

Frecuencia Salida 100 Hz

Voltaje Ripple en la salida 5.30 V

Tabla 3. Mediciones en laboratorio, diseño 1.


Voltaje peak en primario del transformador

Voltaje peak en el secundario del transformador

Voltaje peak to peak rectificado

Voltaje DC Rectificado

Voltaje DC en la carga

Corriente Peak to Peak en la carga

Corriente DC en la carga

Frecuencia entrada

Frecuencia Salida

Voltaje Ripple en la salida

8

3.3. Actividad 3

Para una corriente de 160 [mA] en la carga, insertar en paralelo a la carga un condensador de 470 μF/50V. Visualizar las formas de onda (Fig.1: señales 2-4). Tabule los datos registrados. Repetir para un condensador de 1000 μ/50.

En esta actividad utilizamos un condensador en paralelo a la carga en el diseño propuesto, la

finalidad es estabilizar la salida rectificada puesto que esta es pulsante, con el condensador se

eliminan en parte los pulsos para así tener una salida más estable y no tan variable como lo es

originalmente.

Fig. 8 Diseño 1 con condensador de 470 uF

9

Fig. 9 Formas de onda con condensador de 470 uF

Tabla 4. Mediciones en la simulación con capacitor de 470 uF, diseño 1.




Voltaje RMS en la carga 6.70 V


Corriente Peak to Peak en la carga 37.9 mA

Corriente DC en la carga 119 mA




10





Voltaje RMS en la carga




Frecuencia entrada

Frecuencia Salida


Fig. 10 Diseño 1 con condensador de 1000 uF



11





Corriente Peak to Peak en la carga 20.9 mA

Corriente DC en la carga 127 mA




Tabla 4. Mediciones en laboratorio con capacitor de 1000 uF, diseño 1.








Frecuencia entrada

Frecuencia Salida


3.4. Actividad 4

Utilizando una fuente de poder no regulada con un voltaje de ripple de salida menor al 10%, diseñar y montar una fuente de tensión regulada utilizando un diodo Zener 1N4734 (5,6V/1W) para una corriente máxima de carga de 130 mA. Visualizar las formas de ondas en cada etapa del circuito (Fig.1: señales 2-5). Repita las mediciones y tabule los datos. Recuerde no desconectar la

12resistencia de carga si el circuito está energizado, ya que el diodo Zener podría dañarse si los cálculos para la resistencia limitadora (Ri) no fuesen correctos.

Fig. 11 Diseño 1 con Diodo regulador Zener

Para calcular los components del diseño se utilizaron las ecuaciones brindadas en clases

(3.7)

(3.8)

(3.9)Igualando (3.7) y (3.8) obtenemos que

I zmax=I lmin (Vz−Vsmin )+ Ilmax(Vsmax−Vz )

Vsmin−0.9 V 2−0.1Vsmin (3.10)

De las mediciones obtenidas , tenemos que

Vsmin = 7.00675 V

Vsmax= 7.7885 V

Vz= 5.6 V

Así remplazando estos valores en la ecuación (3.10) podemos calcular que la corriente máxima por

el diodo zener es de

I zmax=220.8365 mA (3.11)

13De esta manera podemos calcular el capacitor de filtro, como conocemos Vsmax, Vsmin también

podemos saber ΔV y calcular Rs, así el condesador de filtro y Rs están dados por:

Cf =7.9677 mF (3.12)

Ri=4.517 Ω (3.13)

R 1=6∗V 2−0,7−5.60.013+220.836

=9,89 Ω≈ 10 Ω (3.14)

RLmin=31.46 Ω (3.15)

RLmax=108.5 Ω ≈100 Ω (3.16)

Tabla 5. Mediciones con diodo zener, diseño 1.






Corriente Peak to Peak en la carga 37.7 uA

Corriente DC en la carga 56.3 mA



Voltaje Ripple en la salida 3.77 mV

Tabla 6. Mediciones en laboratorio con diodo zener, diseño 1.


14







Frecuencia entrada

Frecuencia Salida


Fig. 12 Formas de onda fuente regulada

Podemos notar que gracias al diodo zener, la salida posee una mínima variación, lo que se

traduce en una salida estable en comparación a utilizar solamente el capacitor de filtro.

15

4. Tabla de Materiales e Instrumentos

Los materiales utilizados en el laboratorio

Cant. Ítem Objetivo Observación2 Diodo 1N4007 Rectificar1 Resistencia 56 [Ω] Resistencia de carga

Resistencia seguridad LED1 Resistencia 220 [Ω]1 Diodo LED Indicar si esta encendida la

fuenteLED ROJO 1.8 V 20 mA

1 Condensador 470 [μF ]

Regular la señal rectificada Condensador no polarizado

2 Condensador 1000[uF]

Regular la señal rectificada Condensador no polarizado

1 Multimetros Medir voltaje y corrientes en el circuito

Diodo Zener 1N4734 Regular el voltaje rectificado Voltaje 5.6 V y potencia 1 W1 Reóstatos y

potenciometrosHacer variar la carga utilizada en el circuito

7 Osciloscopio doble Haz

Visualizar las formas de onda entregadas por el circuito

4 Resistencia 100[k Ω ] Resistencia de carga diseño con diodo zener

Potencia mínima de 0.25 [W ]

1 Transformador Alimentación del circuito Configurable a 6 [V ]1 Protoboard Soporte físico del circuito 2 líneas de alimentación

requeridas.

Observación General:

Además de los elementos antes individualizados son necesarios cables conductores y herramientas

menores para su manipulación, tales como pinzas y alicates.

16

5. Pauta de Evaluación

Ítem Asunto P. Máximo P. ObtenidoPresentación Orden y Limpieza 5

Índice Paginado 2Ortografía y Redacción 3

Desarrollo Realización de Actividades 10Circuitos 10Tablas de Medición 5Gráficos de Resultados 5

Materiales y Equipos Tabla de Materiales y Equipos 5Investigación y Datasheet 5

Cálculos Ecuaciones de Diseño 7Expresión de Resultados 3Total 60Nota Final 70

Anexo A. Bibliografía

Diseno Electronico- C.J.Savant Prentice Hall

17

Anexo B. Hojas Técnicas

20

Diodo Zener 1N4734 5,6V/1W:

Laboratorio 2

Documents

Transcript of Laboratorio 2