[ELO107] G11 Informe Final Exp3

Universidad Tecnica Federico Santa MarıaDepartamento de Electronica

Laboratorio Electronica A, ELO-107

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Experiencia No3Rectificacion y fuentes reguladas

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Grupo 11: Byron Popper, Cristian Cofre y Sebastian Fernandez

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Paralelo 1Profesor: Daniel Rodrıguez

Lunes 2 de diciembre de 2013

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Introduccion

Como se observo en la experiencia anterior, los diodos son componentes electronicas no-linealescon diferentes disenos. Uno de los diodos estudiados en la oportunidad anterior fue el 1N4007,cuyas propiedades le hacen ser un buen rectificador a niveles de pequenos voltajes y corrientes.

En esta ocasion se estudiara una estructura con dichos diodos de manera de optimizar el rectifi-cado de una senal sinusoidal, ası como tambien el uso de condensadores de diferente capacitanciapara generar, a partir de la estructura anteriormente senalada, un ripple que limite el voltajeentre dos valores previamente disenados.

Junto con lo anterior, se analizara el funcionamiento de circuitos integrados rectificadores, enparticular, el LM7812, LM7912 y LM317, con el fin de comprobar el diseno realizado en elpre-informe para su correcta operacion para obtener las saidas deseadas.

Objetivos

Experimentar una estructura rectificadora que contenga diodos 1N4007, condensadores ycircuitos integrados.

Determinar y comprobar conceptos teoricos del analisis de redes no lineales, utilizandolospara generar senales lineales.

Adquirir experiencia con el uso circuitos integrados y estructuras disenadas para cumplirfunciones especıficas, en este caso, de rectificacion.

Generar, a partir de senales senoidales, senales constantes de voltaje, tanto positivo comonegativo.

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Implementacion y desarrollo de la experiencia

1. Analisis del transformador

Se analizo la siguiente red en el laboratorio:

6

6

?

HH

Vs

V1

V2

Is

220:13

220V50Hz

con 0 < Is−RMS < 2[A]. Se midio, punto a punto, la caracterıstica Is/Vs en la carga, considerandoel valor maximo de voltaje y corriente que estos alcanzaban.

RReostato[Ω] Vs−max[V ] Is−max[A] RReostato[Ω] Vs−max[V ] Is−max[A]

5, 4 15, 2 2, 26 30, 2 14, 9 0, 4910 15, 2 1, 52 34, 3 14, 8 0, 43

11, 4 15, 1 1, 32 38, 2 14, 8 0, 3914 15, 1 1, 07 44 14, 7 0, 33

16, 4 15 0, 91 46, 9 14, 7 0, 3119, 3 15 0, 79 51, 5 14, 6 0, 2824, 8 14, 9 0, 6

Observaciones:

1. El valor de Is−max se obtuvo matematicamente, por Ley de Ohm, al ser la cargauna resistencia variable.

2. Dado que VRMS = Vmax/√

2, cuando Vs−max = 2, 26[V ] se tiene que VRMS =0, 18[A]. Esto es solo un dato aproximado, puesto que la senal no es perfecta-mente sinusoidal.

3



-

6

Vd [V ]

id [A]0,5 1 1,5 2

5

10

15

20

Interpolacion del punto a punto de la carga

rrrrrrrrrrrr

Ademas, se puede calcular la resistencia equivalente del transformador vista desde el secundario.Esto considerando que se midieron los siguientes voltajes a circuito abierto y con una resistenciapuesta entre los terminales del secundario:

RReostato[Ω] Vs−max[V ]

∞ (Corcuito abierto) 31, 251, 5 29, 2

Se sabe que la resistencia del transformador es muy pequena comparada con la resistencia internadel osciloscopio (1[MΩ]), por lo que se asume 31, 2[V ] como el voltaje Thevenin del condensa-dor. Por otra parte, se asume despreciable el efecto de la resistencia interna del osciloscopio alconectarla en paralelo con el reostato, dado que esta ultima es muy pequena comparada con ladel osciloscopio, por lo que:

VTh = Is + (RTh + 51, 1[Ω]) = 31, 2[V ]

VTh = IsRTh + 29, 2[V ] = 31, 2[V ]

Ademas:

Is =31, 2[V ]

51, 1[Ω]= 0, 61[A]

Por lo que:

4



VTh = 0, 61[A]RTh + 29, 2[V ] = 31, 2[V ]

Despejando:

RTh = 3, 28[Ω]

5



2. Analisis de la propiedad rectificadora de los diodos

Se analizo en el laboratorio la siguiente red (similar a la red de la parte 1, pero se le agregarondos diodos rectificadores):

6

HH

Vs

Is

220:13

220V50Hz

HH

HH

con 0 < Is < 900[mA]. Se midio, punto a punto, la caracterıstica Is/Vs en la carga, considerandoel valor maximo de voltaje y corriente que estos alcanzaban.

RReostato[Ω] Vs−max[V ] Is−max[mA]

50, 3 14, 7 292, 239, 9 14, 5 363, 434, 0 14, 3 420, 624, 1 14, 2 589, 219, 0 14, 1 742, 1

Observacion: Al igual que en la parte 1, el valor de Is−max se obtuvo matematica-mente, por Ley de Ohm, al ser la carga una resistencia variable.

6



r r r r r

-

6

Vd [V ]

id [mA]300 600 900

5

10

15

20


Se observo con el osciloscopio la forma de onda del voltaje y la corriente de los diodos. Paraesto, se mide el voltaje en sentido orientacion inversa de uno de los diodos y el voltaje en elcable que lo conecta con el transformador. De esta manera, se realizan las conecciones de Ch1,Ch2 y la tierra de la siguiente forma:

220:13

220V50Hz

HH

HHv vvCh1 Ch2

TierraOsc.

En la siguiente imagen se observa el voltaje en el cable que conecta un diodo con el transformador(en amarillo, representa la forma de onda de la corriente en el diodo) y el voltaje en el diodo(en azul).

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Figura 1: Forma de ondas de voltaje y corriente del diodo rectificador

Observaciones:

1. El voltaje en el diodo se midio en orientacion inversa y la medicion no se en-cuentra invertida, por lo que el verdadero voltaje del diodo es la grafica en azul,pero invertida respecto de como se muestra en la imagen.

2. La forma de onda de la corriente no da ninguna certeza de la amplitud de lacorriente. Para conocer su amplitud se debe medir el voltaje en la carga y,conociendo su resistencia, calcular la amplitud de su corriente, la cual es iguala la amplitud de la corriente en el diodo (no ası su forma de onda).

Ademas, se midio el voltaje en la carga con el fin de conocer la forma de onda de voltaje y lacorriente en la carga. En este caso no se realizo ninguna medicion extra para conocer la forma deonda de la corriente ya que se eligio una resistencia como componente de carga. A continuacionse muestra la senal medida en el osciloscpio.

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Figura 2: Forma de onda de la senal en la resistencia de carga

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3. Rectificacion y condensador generador de ripple

Se analizo en el laboratorio la siguiente red (similar a la red de la parte 2, pero se le agregao uncondensador en paralelo a la carga):

6

HH

Vs

Is

220:13

220V50Hz

C

HH

HH

En ambos casos, el valor medido para Vmax fue de 17, 1[V ].

Teoricamente, el condensador C toma los valores de 220[µF ] y 2000[µF ] (realizando un analisispara cada caso). Sin embargo, experimentalmente, se utilizaron los siguientes valores para C:

CTeorico[µF ] CExperimental[µF ]

220 2372000 1981

Para obtener la forma de onda en los diodos, tanto de su voltaje como de su corriente, se midio dela misma manera que en el caso anterior, solo que esta vez se conecto una resistencia de 1[Ω] enserie al diodo y se midio el voltaje ahı en lugar del cable para conocer la forma de onda de lacorriente. En las imagenes que muestran la forma de onda del voltaje y la corriente de un diododel circuito, la grafica de color amarillo corresponde a la corriente y la de color azul, al voltaje.

De igual manera se obtuvo, en el osciloscopio, la forma de onda de la corriente y el voltaje enla carga. Al ser esta una resistencia, la forma de onda de ambas es la misma.

Luego, se mide el voltaje y la corriente en el reostato a D.C. Para el condensador de 237[µF ]:

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Figura 3: Forma de onda del voltaje y la corriente en un diodo, C = 220µF

Figura 4: Forma de onda del voltaje y la corriente en un diodo, C = 2000µF

Figura 5: Forma de onda del voltaje y la corriente en un diodo, C = 2000[µF ]

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RReostato[Ω] Vs−D.C.[V ] Is−D.C.[mA] VP.toP.[V ] Tdescarga[ms]

51, 7 14 270, 8 6, 3 5, 143, 2 13, 4 312, 4 6, 9 5, 0632, 8 13, 1 399 8 4, 7922, 8 12, 1 531, 4 9, 7 4,3214, 8 11, 2 736, 5 10, 9 4, 04

Se grafica la caracterıstica punto a punto de la red, especıficamente de su salida:

r r r r r

-

6

Vd [V ]

id [mA]300 600 900

5

10

15

20


Se necesita obtener el factor de ondulacion. Para ello, se debe calcular de la siguiente manera:

Factor de Ondulacion =VA.C.−RMS

VD.C.

Figura 6: Forma de onda del voltaje y la corriente en un diodo, C = 2000[µF ]

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Dado esto, se mide el VA.C.−RMS y se calcula el Factor de Ondulacion, obteniendo la siguientetabla de valores:

Vs−D.C.[V ] Vs−A.C.−RMS[V ] Factor de Ondulacion

14 1, 82 0,1313, 5 2, 01 0,1413, 1 2, 31 0,1812, 1 2, 8 0,2311, 2 10 0,91

Se necesita obtener el factor de regulacion, el cual esta dado por la siguiente ecuacion:

Factor de regulacion =VD.C.

V∞

siendo V∞ = Vmax = 15, 2[V ] el voltaje a D.C. cuando la resistencia es “infinita” o, en este caso,un circuito abierto. En el caso particular de esta red, con circuito abierto en la salida su voltajea D.C. es su voltaje maximo. Luego, se obtiene la siguiente tabla de valores:

Vs−D.C.[Ω] Factor de Regulacion

14 0, 8213, 5 0, 7913, 1 0, 7712, 1 0, 7110, 9 0, 65

Ademas, se necesita el angulo de conduccion. Este esta esta directamente relacionado con eltiempo de conduccion en un periodo, cumpliendo la siguiente proporcion:

tcargaT

=φconduccion

2π[rad]

El tiempo de conduccion se puede obtener, experimentalmente, a partir de la comparacion entrela forma de onda de la corriente y el voltaje en uno de los diodos:

Ademas, dado que se cuenta con el dato tdescarga del condensador y que el periodo del ripple enel mismo es la mitad que el de la fuente, es decir, 10[ms], se tiene que:

13





14



tdescarga[ms] tcarga[ms]

5, 1 4, 95, 06 4, 944, 79 5, 214, 32 5, 684, 04 5, 96

Donde, ademas, el tiempo de carga del condensador es el tiempo en que conduce un diodo enun periodo de la senal que se genera en el.

Por lo que, reemplazando en la ecuacion:

φconduccion = 2πtcargaT

[rad] =π

2[rad]

para cada uno de los valores de tcarga segun su valor de resistencia en el reostato es:

RReostato[Ω] φconduccion[rad]

51, 7 1, 5393843, 2 1, 5519532, 8 1, 6367722, 8 1, 7844214, 8 1, 87239

Hecho el analisis con el condensador de 237[µF ], se procede a realizar el mismo analisis para elcondensador de 1981[µF ]. Se mide el voltaje y la corriente en el reostato a D.C.:

RReostato[Ω] Vs−D.C.[V ] Is−D.C.[mA] VP.toP.[V ] Tdescarga[ms]

52 15, 6 300 1, 5 6, 5844, 5 15, 4 346, 1 1, 7 6, 4733 15, 1 457, 6 2, 1 6, 45

23, 5 14, 6 621, 3 2, 5 6, 3115, 3 13, 6 888, 9 3, 3 5, 99

Se grafica la caracterıstica punto a punto de la red, especıficamente de su salida:

15



r r r r r

-

6

Vd [V ]

id [mA]300 600 900

5

10

15

20


Se calcula el Factor de Ondulacion de la misma manera que en el caso anterior, obteniendo lasiguiente tabla de valores:

Vs−D.C.[V ] Vs−A.C.−RMS[V ] Factor de Ondulacion

15, 6 0, 86 0, 0615, 4 0, 98 0, 0715, 1 1, 12 0,0914, 6 1, 44 0,1213, 6 2, 08 0,2

Al igual que en caso anterior, se calcula el factor de regulacion de la misma fotma que en el casode los 237[µF ]

Vs−D.C.[Ω] Factor de Regulacion

14 0, 9113, 5 0, 913, 1 0, 8812, 1 0, 8510, 9 0, 8

Ademas, se necesita el angulo de conduccion. Este esta esta directamente relacionado con eltiempo de conduccion en un periodo, cumpliendo la siguiente proporcion:

tcargaT

=φconduccion

2π[rad]

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Junto con ello, se obtiene el angulo de conduccion de igual forma que en el caso anterior, paraello se calcula, en primer lugar, el tiempo de carga del condensador:

tdescarga[ms] tcarga[ms]

6, 58 3, 426, 47 3, 536, 45 3, 556, 31 3, 695, 99 4, 01

Y luego, el angulo de conduccion de un diodo:

RReostato[Ω] φconduccion[rad]

51, 7 1, 0744243, 2 1, 1089832, 8 1, 1152722, 8 1, 1592514, 8 1, 25978

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4. Rectificacion utilizando circuitos integrados

Se analizo una red similar a la de la seccion anterior de la experiencia, agregandole, esta vez,circuitos integrados rectificadores de senales:

LM7812

LM7912

6

6

HH

HH

Vs

Vs

Is

Is

220:13

220V50Hz

HH

HH

HH

HH

C2

C3

Observacion:

En la guıa de trabajo se pide utilizar un LM7905. Esta componente se analizo paraefectos de conocer, teoricamente, su funcionamiento en el preinforme. Sin embargo,al realizar llevar a cabo la experiencia en el laboratorio, no se contaba con dichacomponente, por lo que, para efectos de cumplir los objetivos de la experiencia, seutilizo un LM7912en su lugar.

Anteriormente, en el preinforme, se calcularon los valores necesarios para C2 y C3 de maneralos circuitos integrados cumplan su funcion de diseno considerando el voltaje de entrada quenecesitan para ello. Sin embargo, en la experiencia de laboratorio se utilizaron valores cercanos,pero distintos a los calculados teoricamente, puesto que no se cuenta con condensadores con lacapacitancia exacta calculada. Los valores utilizados son:

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Condensador Capacitancia calculada [µF ] Capacitancia utilizada [µF ]

C2 2660 2200C3 800 1000

A partir la subred del LM7812 se obtienen los siguientes datos:

Rcarga[Ω] Vs(t)[V ] Is[A] VC2−max[V ] VC2−mın[V ] VC2−mın−Vs[V ]

30 12 0, 4 16, 2 14, 7 2, 725 12 0, 479 16, 2 14, 4 2, 220 12 0, 6 16, 2 14 215 12 0, 8 16, 1 13, 3 1, 34 7 1, 8 16, 1 10, 5 3, 5

Se ve que, a muy baja resistencia en la carga, mayor es la carga, por lo que el LM7812 comienza abajar su voltaje de salida. Lo mismo ocurre con el LM7912. Sin embargo, para cargas que puedanentregar de manera optima, se midieron los voltajes entregados por ambas componentes y resulto,efectivamente, que el LM7812 y el LM7912 entregaron 12[V ] y −12[V ], respectivamente.

Al reemplazar el LM7812 por un LM317, tambien se deben agregar resistencias entre el ajustey la salida (R1) y entre el ajuste y tierra (R2) (para esta ultima se utilizo un potenciometro, demanera de poder variar el voltaje de salida controlandolo desde allı).

Para que el LM317 entregue un voltaje de salida entre 1,5[V ] y 12[V ] es necesario determinaruna R2 que haga cumplir dicha condicion .Para esto, se debe realizar un LVK entre el voltajede salida en este regulador , voltaje de la resistencia R1 y el voltaje de la resistencia R2. Comola resistencia R1 es de 240[Ω] (dada por el fabricante) y el voltaje entre sus terminales es de1, 25[V ] , la corriente que circula a traves de esta malla es de 5, 2[mA] .Para efectos de calculo,se desprecia la corriente que pasa por el terminal ajuste (ADJ). La resistencia R2 que se debedisenar para el regulador entregue un voltaje de 1, 5[V ], es calculada a traves del siguienteanalisis:

12[V ] = 1, 25[V ] +R iR =⇒ (12− 1, 25)[V ] = 5, 2 · 10−3[A]R

R2 =10, 75[V ]

5, 2 · 10−3[A]= 2067[Ω]

La resistencia R2 que se debe disenar para que el regulador entregue un voltaje de 12[V ] escalculada a traves del siguiente analisis:

1, 5[V ] = 1, 25[V ]+, 2 · 10−3[A]R2 =⇒ (1, 5− 1, 25[V ]) = 5, 2 · 10−3[A]R2

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R2 =0, 25[V ]

5, 2 · 10−3[A]= 48[Ω]

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Conclusiones

En la presente experiencia se pudieron cumplir con exito los diferentes objetivos y procedimientospropuestos en la guıa de trabajo. En base a la experiencia de laboratorio se puede concluir que:

1. Para realizar mediciones que impliquen una disipacion de potgencia considerable (mayora 1/4[W ]), es necesario utilizar resistencias que sean capaces de soportar potencias demagnitud mayor.

2. Similar a la conclusion anterior, para medir corrientes donde no existe una resistenciaen serie, se puede utilizar una resistencia muy pequena (por ejemplo, una resistencia de≈ 1[Ω]), de manera que la alteracion que pueda tener la red sea despreciable y no cambieel funcionamiento del circuito ni distorcione la salida deseada para la cual fue disenado.

3. Los graficos son similares a los esperados, considerando los errores que surgen durante elprocedimiento de la experiencia (valores que en la practica son levemente distintos a losteoricos dados por el fabricante, resistencia del transformador, resistencia en los cables,ruido, etc.), por lo que se comprueba su validez.

4. Al conectar, de manera optima, las componentes utilizadas en la experiencia, se puedeobtener senales de salida cada vez mas cercanas a la de un voltaje constante a partir deuna senal sinusoidal. En particular, al utilizar los circuitos integrados (LM7812, LM7912y LM317), se puede obtener, salvo por un pequeno ruido dado por la medicion y la salidade los circuitos integrados, una senal perfectamente constante.

5. Cuidando no exceder la potencia que “aguanta” cada circuito integrado, se debe aplicar ensu entrada un voltaje lo suficientemente alto para que pueda entregar el voltaje deseadode salida.

6. Es importante senalar que los condensadores no solo cumplen funciones de filtro a frecuen-cias de interes, sino que tambien cumplen funciones de apoyo a la rectificacion, tal comolo hace al momento de regular el ripple (mencionado en varias ocasiones anteriormente)generado y analizado en esta experiencia.

7. Los circuitos integrados utilizados para rectificacion en esta experiencia disipan una grancantidad de potencia para los niveles en los que se trabaja, por lo que, para evitar queestos se deterioren por efecto de altas temperaturas, es recomendable (y necesario) agregarun disipador de calor a cada uno de ellos, enfriandolos constantemente por efecto de latemperatura ambiental.

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