UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTIAGO DE GUAYAQUIL

Facultad Técnica para el Desarrollo

N° 3

Circuitos rectificadores de voltaje con filtros

Fecha realizado 20/11/2014

Fecha de presentación 03/12/2014

Profesor: Ing. Luis Palau de La Rosa

Bruno Erazo Mera

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Objetivos:

1. Analizar el comportamiento de un rectificador de onda completa tipo puente con sección de filtrado capacitivo.

Marco teórico:

Filtro de Capacitor

Es un circuito eléctrico formado por la asociación de diodo y condensador destinado a filtrar o aplanar el rizado, dando como resultado una señal eléctrica de corriente continua cuya tensión no varía prácticamente en el tiempo.

El circuito es el mismo que el empleado en la rectificación añadiendo un condensador, por lo que al igual que existen rectificadores de media onda y de onda completa existen filtros de condensador de media y onda completa.

a) Voltaje de rectificador de onda completab) Voltaje de salida de filtrado

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En la siguiente figura, en la figura a indica el voltaje de salida de un rectificador de onda completa antes de que la señal sea filtrada, mientras en que la figura b muestra la forma de onda resultante después de que el filtro de capacitor se conecte a la salida del rectificador.

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:

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.

Se denomina Factor de Rizado a la relación porcentual entre el Voltaje de Rizado y el valor máximo de la Fuente de Voltaje DC. Esto es:

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.

Aunque, el voltaje de rizo se puede obtener por medio de los demás parámetros del circuito. El voltaje de rizo se puede calcular a partir de:

V r (RMS )=I cd

4√3 fC=2.4 I cdC

=2.4V cd

RLC

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I cd=[mA ]

C=[ μF ]

RL= [KΩ ]

Pero antes de empezar a hacer cálculos vamos a ver un concepto.

Primeramente vamos a ver ese circuito sin C. En este caso la forma de onda de la intensidad es igual a la tensión en la resistencia.

El objetivo del C es desviar parte de la corriente por él, para que sólo vaya por la RL la componente continua de Fourier y el resto se cortocircuite a masa a través del condensador.

Para que esto ocurra tenemos que ver la impedancia equivalente del condensador, y ver así como afectan los diferentes valores de la frecuencia a esta impedancia.

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Como se ve, el valor de frecuencia más problemático es el de 50 Hz, ya que es el que más depende de la capacidad, y por lo tanto el que tiene un mayor valor de la impedancia. Si se consigue que a la frecuencia de 50 Hz tengamos un valor aceptable de la impedancia, para el resto de las frecuencias funcionará bien.

Las ondas que tendríamos con y sin C serán estas, comparadas con la onda del secundario:

Al añadir el C hay modificaciones en el comportamiento del circuito. Veamos los pasos que se dan:

Inicialmente el C es un cortocircuito, y al enchufar el circuito a la red es C se carga de 0 a VP2. Se cargará la ritmo del transformador porque el diodo es ideal, con lo que es un cortocircuito.

Cuando el C se ha cargado del todo a VP2, a partir del valor máximo, el D entra en inversa y deja de conducir (D conduce hasta VP2), con lo que empieza a disminuir el valor de la tensión de salida.

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Ahora se descargará el C a través de RL.

El C se va descargando hasta igualarse al valor de VL, entonces el D pasa a ON con lo que se vuelve a cargar hasta VP2 y se repite el proceso.

Mientras el C se carga D conduce (D ON) y mientras C se descarga D no conduce (D OFF).

Ahora el D está en ON en menos tiempo que antes y las corrientes son muy grandes porque el C se carga en poco tiempo.

En poco tiempo necesita mucha energía, por lo tanto la intensidad es grandísima, y el resto del tiempo el D no conduce.

La tensión en el D se da cuando está en OFF. El valor máximo de esa tensión es:

A ese valor máximo de tensión en inversa se le

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llama "Tensión Inversa de Pico del Diodo".

El cálculo de IPD ("Intensidad de Pico del Diodo") es muy difícil de calcular, hay que resolverlo por iteraciones y esto es muy largo por ello lo haremos con aproximaciones.

Aproximaciones

1ª Aproximación (diodo ideal)

Como se ve en el dibujo se aproxima a rectas, lo convertimos en lineal.

Para calcular el valor del rizado, vemos la descarga del condensador que es una exponencial hasta t1 (ese valor de t1 lo hemos calculado anteriormente por iteraciones), y al final después de hacer integrales tomando la intensidad constante se llega a un valor del rizado de:

Recordar:

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2ª Aproximación

3ª Aproximación

Normalmente usaremos la 1ª aproximación (ideal) o la 2ª aproximación.

¿Qué nos conviene?, ¿C (capacidades) grandes o C pequeñas ?

Si la C (capacidad) es grande el condensador se descarga más lentamente y tenemos menos tiempo para cargar el condensador, por lo tanto la intensidad de pico del condensador es muy grande.

Conclusión: Lo mejor es un C grande pero hay que tener cuidado con el D porque tiene que sufrir valores de pico mayores.

Resumiendo:

Intensidades

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En la gráfica del diodo se ve que el área de arriba y el de abajo son iguales, por lo tanto. El valor medio de la intensidad es cero, entonces:  ICCD = ICCL

Con esto el pico de intensidad que tiene que aguantar el diodo es grandísimo, el diodo sufre mucho, y podría hasta dañarse.

Aplicaciones

Este circuito puede usarse, en fuentes de alimentación para lograr transformar la

tensión alterna de la entrada en continua a la salida. Normalmente forma parte de

circuitos de potencia más complicados como son los conversores de potencia. En

estos casos el valor del condensador debe ser alto.

Ajustando el valor del condensador para que tenga un mayor margen de variación

puede utilizarse este circuito para la demodulación de señales AM, el resultado es

una señal parecida a la envolvente de la señal modulada. Para esta aplicación el

valor del condensador es mucho menor que en la anterior y dependiente del índice

de modulación.

Filtro resistivo capacitivo

Es posible reducir aún más la cantidad de rizo a través de un capacitor de filtrado si utiliza una sección de filtro RC adicional. El propósito de la sección RC Agregada es que deje pasar la mayor parte del componente de cd al mismo tiempo que atenúa lo más posible del componente de ca. La operación del circuitoDe filtrado se analiza superponiendo los componentes de cd y ca de la señal.

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Operación de cd de una sección de filtro RC

En la figura anterior, se muestra el circuito equivalente de cd que se utilizará en el análisis del circuito de filtro RC. Como ambos capacitores actúan como circuitos abiertos en operación de cd, el voltaje de cd de salida resultante es

V 'cd=RLV cdRL+R

Rectificador de onda completa y circuito de filtro RC

a) Cd y b) circuito equivalente de ca del filtro RC

Operación de ca de una sección de filtro RC

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En el circuito de ca equivalente de una sección de filtro RC. Debido a la acción del divisor de voltaje de la impedancia de ca del capacitor y el resistor de carga, el componente de ca del voltaje resultante a través de la carga es:

V ' r (RMS )=XCRV r(rms)

Para un rectificador de onda completa con un rizo de ca a 120 Hz, la impedancia de un capacitor se calcula con

XC=1.3C

XC=[KΩ ]C=[ μF ]

Equipos y materiales utilizados:

En la práctica del laboratorio de electrónica, se utilizaron los siguientes equipos para medir los valores pedidos por el tutor. Los equipos y materiales utilizados, son:

- Fuente de voltaje

- Multímetro digital

- Osciloscopio

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- Resistores

- Capacitores

Procedimiento:

1. Filtrado Capacitivo a. Armar el circuito de la figura 1.

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b. Mida el voltaje dc en la carga.

V DC=4 V

c. Determine el valor rms de la componente alterna de Vo.

V RMS=4

2√3V=1.15V

d. Mida la corriente de pico que circula por los diodos de D1 y D2 intermedio de las resistencias Rs1 y Rs2

IRS1=IRS2=VR

= 14100

A=0.14 A

e. Determinar el porcentaje de rizado el voltaje dc, el voltaje de rizado rms de la señal de salida.

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%Rizado=V RMS

V DCx100%=1.15

4x 100%=28.86%

f. Compare los valores teóricos con los obtenidos en la práctica y determine su porcentaje de error.

%error=Vteorico−VmedidoVmedido

x 100%=5.15−44

=28.75%

2. Filtro resistivo capacitivo(RC)

a. Arme el circuito de la figura 2

b. Repita los pasos de la parte 1 de la práctica de este literal b al f.

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V DC=4.4 V

V RMS=4.4

2√3V=1.27V

IRS1=IRS2=VR

= 3.6100

A=36mA

%Rizado=V RMS

V DCx100%=1.27

4.4x 100%=28.86%

c. Haga una comparación entre los 2 tipos de rectificadores.

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d. Cambie la resistencia de carga a 390Ω y observe que ocurre con Vo

e. Cambie el condensador por uno de 470uF y observe el efecto en Vo.

Preguntas:

1) ¿Qué ocurre con el nivel de Vdc de Vo. Si se aumenta la capacitancia del condensador?

Cuando aumentamos el valor del capacitor, el tiempo de descarga será más prolongado, por lo tanto la señal de salida se estará rectificando hasta llegar a ser como una señal continua DC.

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2) ¿Cuál es la forma de la señal de salida si se quita la carga y se deja únicamente el condensador?

3) ¿Qué ventajas y desventajas presenta el filtrado RC con respecto al filtrado puramente capacitivo?La desventaja principal del filtro RC es la pérdida de tensión en cada resistencia. Esto quiere decir que el filtro RC es adecuado solamente para cargas pequeñas. Es mejor tener un filtro capacitivo con mayor capacidad, ya que este evita que la caída de voltaje sea menor, reduciendo el factor de rizo y a su vez entregando una corriente mucho más constante y continua.

Conclusión:

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Observe que en esta práctica que el circuito con filtro capacitivo y filtro capacitivo resistivo, se rectifica la señal de entrada AC a una DC mediante el uso de rectificadores de voltaje con capacitores.

El filtro capacitivo logra que la onda de salida se la observe en forma de rizado.

El filtro capacitivo de la tensión de rizado (Vr) será mucho menor que V si la constante de tiempo del condensador R·C es mucho mayor que el período de la señal.

Y cuando cambiamos los capacitores a un valor mayor, la señal de salida en la carga fue más rectificada.

Recomendación:

Bibliografía:

Extraído el 22/11/2014 de http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema4/Paginas/Pagina7.htm

Extraído el 22/11/2014 de http://www.efn.uncor.edu/escuelas/biomedica/Plandeestudios/materias%20completas/taller%20y%20laboratorio/filtros_RC.pdf

Extraído el 22/11/2014 de http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448171624.pdf

Boylestad, Robert (2009). Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. Editorial Progreso, S.A. de C. V.

Simulación:

Simulación:

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Circuito 1

Circuito 2

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