Informe de Laboratorio de Circuitos Dobladores

Informe de Laboratorio de Circuitos Dobladores, Recortadores y Respuesta en FrecuenciaProfesores: Pablo Aqueveque, Esteban PinoAyudantes: Mara Ignacia Aguilera, Javier Chvez, Soledad MuozSalvador Gallardo Riquelme, Nicols Muoz AriasIngeniera Civil Biomdica, Departamento Ingeniera Elctrica, Universidad de Concepcin, Concepcin, [email protected]@udec.cl

Abstract- Se desarrollaron actividades empricas que abordan la respuesta en frecuencia de circuitos dobladores y recortadores, con el objetivo de identificar que ocurre con las diferentes seales y parmetros al variar la frecuencia en la fuente de entrada o al insertar una carga resistiva en los diferentes circuitos. Estos anlisis fueron posibles gracias a la implementacin de cada circuito y el uso de un generador de funciones en el cual podemos controlar variables tales como el tipo de la seal de entrada y/o sus parmetros, adems de un osciloscopio el cual nos permiti observar detalladamente el comportamiento de cada seal de forma prctica. En consecuencia se encontr que en un circuito doblador la seal muestra un rizado al aadir una carga resistiva al circuito as mismo se comprueba que como dice la teora el voltaje mximo de salida es el doble del de entrada. Otro resultado relevante corresponde a la confirmacin de que al utilizar diodos de una respuesta mayor de frecuencia el circuito toleraba mayores valores de frecuencia antes de dejar de rectificar. De forma global se puede inferir que los diodos que tienen la cualidad de al rectificar soportar mayores frecuencias seran los elegidos para diferentes aplicaciones, debido a la mayor tolerancia que estos eventuales circuitos tendran.

I. INTRODUCCIN Los circuitos recortadores se encargan de eliminar una porcin de la seal alterna que entra al circuito, tambin se puede decir que limitan el valor mximo que puede tomar una seal, por otro lado se entiende por circuito doblador aquel que aumenta el voltaje alterno de entrada en un factor que depender de la cantidad de diodos y condensadores con los que se haya diseado el circuito, por lo tanto el valor de entrada se puede duplicar, triplicar, cuadruplicar, etc. En el contexto del presente informe se insertan nuevas definiciones con respecto a los diodos utilizados en cada implementacin, es por ello que cobra importancia diferenciar las caractersticas de un diodo 1N4007 y un diodo 1N4148, el primero se considera un diodo lento esto es por qu rectifica a la frecuencia que nos entrega una red elctrica es decir a unos 50 o 60 Hz , por su parte el diodo 1N4148 reacciona en muy pocos segundos (4ns aproximadamente) por lo cual se utiliza para cualquier frecuencia y para diferentes aplicaciones, por lo cual se considera rpido Todos estos conceptos tericos fueron desarrollados de forma real, implementando y analizando cada circuito, por lo cual en las siguientes pginas se podr encontrar con la descripcin detallada de cada actividad realiza, los resultados numricos de cada una de ellas, los datos obtenidos por medio de la visualizacin en un osciloscopio de las seales , as como tambin se presentaran diferentes inferencias de los datos numricos , interpretaciones de los comportamientos de las seales y diferentes conclusiones respecto todo el desarrollo practico de las actividades.

II. MATERIALES Y MTODOS

A. Materiales:

1) Equipos: Para poder ejecutar la implementacin de los circuitos fue necesario contar con: Osciloscopio: Tektronix TDS 1002B Two channel,(60MHz, 1GS/s) Multmetro Digital: Meterman Modelo 37XR Transformador Reductor (220 Vrms / 12 Vrms) 12Vrms / 500 [mA]. Generador de Funciones GW Instek GFG-8216A. Fuente de Poder DC: GW Instek GPS-3030D (Imax=3 [A]; Vmax=30 [V])2) Componentes: En esta categora tenemos:

Protoboard. Cables de Conexin. 1 Resistencia de 10 k[] 1 Resistencia de 1 k[]. 2 Condensadores de 1 F/50V 2 Condensadores de 10 F/50V 2 Condensadores de 100 F/50V 4 Diodos 1N4007. 4 Diodos 1N4148 B. Mtodos Los conceptos tericos requeridos como conocimientos previos para la adecuada ejecucin de las actividades prcticas prximamente descritas son los siguientes:

Circuito Doblador: Circuito formado por diodos y capacitores el cual tiene como entrada una seal alterna cuyo voltaje contino de salida ser el doble del de la entrada.

Circuitos Recortador: Este circuito elimina una porcin de la seal alterna que ingresa al circuito, se disea usando un diodo una resistencia y fuentes alterna y continua.

Diodo 1N41487: Es un diodo que rectifica a una frecuencia mayor a la del diodo 1N4007.

Rectificador: Es un elemento compuesto por diodos semiconductores, el cual principalmente permite convertir la corriente alterna en corriente continua, en el presente trabajo se usaron rectificadores de media onda y rectificador de onda completa tipo puente.

Ripple: Al rectificar una seal de corriente alterna a corriente continua es muy probable que quede una pequea porcin de la componente alterna en la seal continua rectificada, este resto es lo que se conoce como ripple o rizado.

B.1 Ecuaciones

Las expresiones matemticas que nos permiten obtener distintos resultados numricos son:

Ecuacin 1. Relacin entre el voltaje de entrada y de salida en un circuito doblador

Ecuacin 2. Corriente Media en los Terminales de la Carga.

(3) Ecuacin 3. Voltaje Medio en los Terminales de la Carga.

(4)Ecuacin 3.Relacion Valor rms y Valor Peak de una Seal.

(5)Ecuacin 4. Ganancia del voltaje del rectificador.

III. DESARROLLO

Esta experiencia tiene como objetivo implementar variadas configuraciones de circuitos con presencia de semiconductores, en especfico diodos. Dichas implementaciones tendrn las siguientes configuraciones: Circuitos Dobladores, Circuitos Recortadores y Circuitos Rectificadores en Alta y Baja Frecuencia. Iniciando con la primera implementacin ya antes mencionada, se tendr que visualizar las caractersticas de operacin de los circuitos dobladores, que estn configurados de manera tal que nos permiten obtener un voltaje de salida 2 veces mayor que el voltaje de entrada, dicha relacin se muestra en la ecuacin 1, tales circuitos son caractersticos para variados usos en la electrnica. Y su funcionamiento, viene dado por que al ser suministrado por una seal sinusoidal, esta seal poseer 2 semiciclos uno positivo, en el cual la configuracin de este circuito nos dejara polarizado directamente uno de los 2 diodos y a la vez se cargara 1 condensador, hasta su punto mximo, y el otro semiciclo el diodo que estaba polarizado inverso, cambia su polarizacin y empieza a conducir, lo que quiere decir que el capacitor 2 se carga al mximo, entre ambos semiciclos, se tiene que se deben sumar los valores de voltajes mximos de los condensadores, ya que cuando no poseen carga no se alcanzan a descargar y es por eso que se llama doblador. Adems, si al circuito dobladores se le agrega una carga en la salida, dicha seal adquiere un voltaje de rizado, por la cada de potencial que est presente en la resistencia. Para poder disminuir el voltaje de rizado y mejor la respuesta, es necesario aumentar el valor de la capacitancia. En la actividad 2, se implementa un circuito recortador de tensin, el cual se diseara para que recorte la seal de voltaje superior a 3 [V], para ello, es necesario constar con 1 fuente de poder continua que depender de que voltaje est presente en el diodo para poder fijar la salida de 3[V], adems el circuito debe constar con 1 diodo, una resistencia y la seal de alimentacin alterna ser proporcionada por el generador de funciones que se fijara con un voltaje rms igual a 5 y a una operacin de 100 Hz, y se dispondr de 2 formas de salida una seal sinusoidal y una seal triangular. En las actividades 3 y 4, el propsito es poder visualizar el rango de operacin en la rectificacin de onda completa en base a la frecuencia. En el caso de la actividad 3, se dispondr de 4 diodos 1N40007, configurados para ser rectificadores de onda completa tipo puente, y en la salida se agrega una carga, en la cual se medida y visualizara con el osciloscopio la seal de salida en base a la variacin de la frecuencia en la entrada del circuito. Esta configuracin de rectificador de onda completa, se tiene que la frecuencia de salida del circuito ser el doble de la frecuencia de entrada. Por las caractersticas nominales del diodo, se tendr que podr soportar un rango de frecuencia relativamente bajo en comparacin de los diodos que operan en la actividad 4. En la actividad 4, se implementara el mismo circuito rectificador de onda completa tipo puente, con la diferencia que se cambiaran los diodos 1N4007 a los diodos 1N4148, que tienen una respuesta ms rpida, y soportan una mayor frecuencia de rectificacin.

IV. RESULTADOS

A continuacin, se entregaran los datos obtenidos en cada una de las experiencias:

A. Experiencia N 1: Circuitos Dobladores En esta seccin, se mostraran las implementaciones de los circuitos dobladores con carga y sin carga, junto con las distintos tipos de mejoras a travs del aumento de la capacitancia. Adems, se entregara la visualizacin grafica obtenida a travs del osciloscopio. En las figuras 1 y 2 se muestra el circuito doblador sin carga y con carga de 10 k, junto con capacitores de 1F. En las figuras 3 y 4, se visualiza el esquema del circuito pero aumentando el valor del capacitor. Y en las figuras 5 y 6, se aumenta el valor del condensador a 100 F.

Fig.1 Circuito Doblador sin Carga con Capacitores de 1 F

Fig.2 Circuito Doblador con Carga de 10 k y Capacitores de 1 F

Fig.3 Circuito Doblador sin Carga y Capacitores de 10 F

Fig.4 Circuito Doblador con Carga de 10 k y Capacitores de 10 F

Fig.5 Circuito Doblador sin Carga con Capacitores de 100 F

Fig.6 Circuito Doblador con Carga de 10 k y Capacitores de 100 FTABLA IParmetros de Voltajes Presentes en Circuito Doblador Con Capacitores de 1F, sin Carga y con Carga de 10 kParmetrosTericoExperimental

Voltaje Entrada Doblador16,9 [V]17,1 [V]

Voltaje Salida Doblador

33,94 [V]Sin CargaVmax34,4 [V]

Vmin34 [V]

Vmedio34,1 [V]

V0,4 [V]

Factor de Ripple0,012

Con CargaVmax21,6 [V]

Vmin8,8 [V]

Vmedio16 [V]

V12,8 [V]

Factor de Ripple0,8

TABLA IIParmetros de Voltajes Presentes en Circuito Doblador Con Capacitores de 10F, sin Carga y con Carga de 10 kParmetrosTericoExperimental




Vmin32 [V]

Vmedio32,5 [V]

V0,8 [V]



Vmin26,8 [V]

Vmedio29,3 [V]

V4,4 [V]


TABLA IIIParmetros de Voltajes Presentes en Circuito Doblador Con Capacitores de 100F, sin Carga y con Carga de 10 kParmetrosTericoExperimental




Vmin34 [V]

Vmedio34 [V]

V0,4 [V]



Vmin32,4 [V]

Vmedio33 [V]

V1,2 [V]


Fig.7 Seal Visualizada del Circuito Doblador sin Carga y Capacitores de 1 F Una vez implementados los circuitos, se adquirieron los datos experimentales a cada una de las figuras (1-6) y los parmetros sern tabulados en las tablas I, II y III. Desde la figura 7 hasta la figura 12, se muestra la visualizacin de la seal de salida del circuito doblador observada desde el osciloscopio.

Fig.8 Seal Visualizada del Circuito Doblador con Carga de 10 k y Capacitores de 1 F

Fig.9 Seal Visualizada del Circuito Doblador sin Carga y Capacitores de 10 F


Fig.11 Seal Visualizada del Circuito Doblador sin Carga y Capacitores de 100 F


B. Experiencia N 2: Circuitos Recortadores

En esta actividad, se implementa el circuito recortador que se muestra en la figura 13, y que corresponde a que fue alimentado por un generador de funciones con una seal de forma sinusoidal y la figura 14 muestra un circuito suministrado por el mismo generador de funciones pero esta vez la seal es triangular, el propsito es eliminar los valores de tensin superiores a 3[V], los valores sern entregados en la tabla IV, y la visualizacin de las seales sern entregadas desde la figura 15 a la figura 16.

C. Experiencia N 3: Respuesta en Frecuencia en Rectificador de Onda Completa con Diodos 1N4007

En esta seccin, se vern la respuesta en frecuencia de un rectificador de onda completa compuesto por diodos 1N4007, en la figura 17, se muestra la configuracin esquemtica del circuito, adems se compilan los datos de las mediciones obtenidos y se disponen en la tabla V, junto con esto se puede apreciar en las figuras 18-19-20, la visualizacin de la seal correspondiente a variaciones de frecuencia. La alimentacin de este los circuitos de las actividades 3 y 4 se realizan a travs del generador de funciones.

D. Experiencia N 4: Respuesta en Frecuencia en Rectificador de Onda Completa con Diodos 1N4148

Al igual que en la actividad anterior, se utiliza un rectificador de onda completa, pero la gran diferencia es el uso de diodos 1N4148, que son ms rpidos que los anteriores y que nos proporcionarn un mayor rango de operacin en respuesta de la frecuencia, el circuito esquemtico es presentado en la figura 21, los parmetros obtenidos experimentalmente son entregados en la tabla VI y se puede observar las seales de salida captadas por el osciloscopio en la figura 22.

Fig.13 Circuito Recortador de Seal Sinusoidal 5Vrms/100Hz

Fig.14 Circuito Recortador de Seal Triangular 5Vrms/100Hz

TABLA IVParmetros de Voltajes de las Fuentes Presentes en el Circuito RecortadorParmetroIdealReal

Voltaje Fuente dc3 [V]2,3 [V]

Voltaje Fuente ac5 [Vrms]5,02[Vrms]

Fig.15 Seal Visualizada Circuito Recortador de Seal Sinusoidal 5Vrms/100Hz

Fig.16 Seal Visualizada Circuito Recortador de Seal Triangular 5Vrms/100Hz

Fig.17 Circuito Rectificador Onda Completa con Diodos 1N4007

Fig.18 Seal Visualizada de Circuito Rectificador Onda Completa con Diodos 1N4007 a 100Hz de Frecuencia de Entrada

Fig.19 Seal Visualizada de Circuito Rectificador Onda Completa con Diodos 1N4007 a 10 kHz de Frecuencia de Entrada

Fig.20 Seal Visualizada de Circuito Rectificador Onda Completa con Diodos 1N4007 a 1 MHz de Frecuencia de Entrada

Fig.21 Circuito Rectificador Onda Completa con Diodos 1N4148

Fig.22 Seal Visualizada de Circuito Rectificador Onda Completa con Diodos 1N4148 a 10 kHz de Frecuencia de EntradaTABLA VParmetros de Rectificador de Onda Completa con Diodos 1N4007 Parmetros

Frecuencia EntradaFrecuencia SalidaVoltaje Entrada VrmsVoltaje MedioSalidaGanancia

1 Hz2 Hz5 [Vrms] 3,38 [V]0,676

10 Hz20,2 Hz5 [Vrms] 3,38 [V]0,676

100 Hz201,6 Hz5 [Vrms]3,1 [V]0,62

1kHz1,949 kHz5 [Vrms]3,09 [V]0,618

5kHz10,2 kHz5 [Vrms]3,11 [V]0,622

10kHz20 kHz5 [Vrms]3,06 [V]0,612

100kHz200KHz5 [Vrms]2,63 [V]0,526

1MHz2MHz5 [Vrms]1,25 [V]0,25

TABLA VIParmetros de Rectificador de Onda Completa con Diodos 1N4148 en Alta Frecuencia Parmetros

Frecuencia EntradaFrecuencia SalidaVoltaje Entrada VrmsVoltaje MedioSalidaGanancia

1 Hz2 Hz5 [Vrms]3,15 [V]0,63

10 Hz20 Hz5 [Vrms]3,13 [V]0,626

100 Hz202 Hz5 [Vrms]3,02 [V]0,604

1 kHz2 kHz5 [Vrms]3,02 [V]0,604

10 kHz20,3 kHz5 [Vrms]3,11 [V]0,622

100 kHz201 kHz5 [Vrms]3,14 [V]0,628

200 kHz400 kHz5 [Vrms]3,17 [V]0,634

1 MHz2 MHz5 [Vrms]3,37 [V]0,674

3 MHz6 MHz5 [Vrms]3,69 [V]0,738

E. Diagrama de Bode Aqu se presentaran los diagramas de bode, que indica a que frecuencia aproximada los diodos 1N4007 y 1N4148 empiezan a tener problemas de operacin, ya que no empezara a rectificar de manera adecuada. Se puede apreciar que en el grfico de los diodos 1n4007, el rango de operacin en respuesta en frecuencia mayores a 10kHz los diodos dejaran de rectificar onda completa y sufrirn alteraciones en la seal de salida, mientras que en el grfico de los diodos 1N4148, el comportamiento en respuesta de la frecuencia es mucho mayor tiene un rango ms elevado de operacin, ya que son diodos ms rpidos y solo son afectados por frecuencias superiores a los 3MHz.

Estos grficos muestran a que frecuencia los diodos empiezan a sufrir daos en su operacin. Los grficos de a continuacin muestran, en el eje y la variable de 20log (Ganancia) Vs. Frecuencia, que son parmetros electrnicos de relevancia en estos circuitos.

F. Pregunta de Investigacin

Modelos de baja frecuencia y alta frecuencia en diodos rectificadores.

Distintos encapsulados de diodos rectificadores de baja y alta frecuencia.

Existen variados tipos de encapsulados de diodos, por ejemplo los diodos 1N4007 tienen un encapsulado DO-41 de plstico, mientras que el diodo de 1N4148 era de vidrio, eso se puede deber a que deben soportar un mayor rango de frecuencia y ese tipo de material es ms resistente

V. CONCLUSIN

Considerando los datos obtenidos en las actividades prcticas ya descritas y la informacin entregada por el osciloscopio referente al comportamiento de cada seal se pudieron obtener las siguientes inferencias, conclusiones, y/o comentarios. En un circuito doblador, en el semiciclo positivo de la onda de entrada el diodo uno se polariza directamente de manera que el capacitor uno se carga a una tensin mxima (el diodo dos esta polarizado inversamente y no conduce), luego en el semiciclo negativo el diodo dos se polariza directamente cargando el capacitor dos a un voltaje mximo. Como los dos capacitores estn en serie las tensiones almacenadas se suman logrndose el doblador de tensin; esto explica la forma de la seal del circuito doblador de la actividad nmero uno. De lo anterior se puede inferir que estos circuitos son utilizados para conseguir altas tensiones partiendo de unas inferiores, como lo que ocurre en los tubos de rayos catdicos de los televisores de color. Ahora bien, al agregar una carga resistiva al circuito doblador, este nos muestra una seal con un rizado, de ellos podemos concluir que esto ocurre ya que el condensador se comienza a descargar a travs de la carga lo cual hace que disminuya su voltaje, hasta un punto en el que el voltaje de entrada es mayor, en ese instante el diodo vuelve a conducir y se carga el condensador. En el proceso de variar la frecuencia entregada a un circuito rectificador de onda completa nos pudimos comprobar los enunciados tericos ya que los diodos 1N4148 dejaban de rectificar (la seal se distorsionaba) aproximadamente a frecuencias iguales o superiores a 1MHz en cambio el circuito con diodos 1N4007 esto ocurra cuando la frecuencia bordeaba los 10kHz , esto nos indica que los diodos rpidos (1N4148) son muy eficaces en el procesamiento y deteccin de seales de radiofrecuencia y son usados como fuentes conmutadas pequeas en aparatos como los celulares o reproductores mp3, entre otros.

VI. BIBLIOGRAFA

[1] Pablo Aqueveque, (2014), Gua de Laboratorio N2: Circuitos Dobladores, Recortadores y Respuesta en Frecuencia, Abril 2014.[2] Pablo Aqueveque, Apuntes Diodos, Marzo 2014.[3] C. J. Savant, Martin S. Roden, Gordon L. Carpenter Diseo Electrnico, Capitulo 1:Analisis de Circuitos con Diodos Semiconductores.

[4] http://www.unicrom.com/Tut_duplicadores-tension.asp

[5]

VII. OBSERVACIONES Y CUADRO DE EVALUACIN

TEMMXIMOPUNTAJE

PRESENTACIN1.0

INVESTIGACIN0.5

LISTADO DE MATERIALES Y EQUIPOS0.5

DESCRIPCIN DE ACTIVIDADES, RESULTADOS Y COMENTARIOS2.0

SIMULACIN COMPUTACIONAL (MOSTRAR AL PROFESOR)1.0

DISEO Y CLCULO1.0

TOTAL

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