REPORTE DE PRÁCTICA Práctica 3

Instituto Tecnológico de Querétaro

Electrónica Analógica

Eduardo Pecina González

Álvarez Melgar José Francisco

Noguez Cruz Héctor

Iñiguez Lomelí Francisco Javier

CONTENIDO

Introduccion ....................................................................................................................................................... 2

Marco teórico ..................................................................................................................................................... 2

Diodo Zener .................................................................................................................................................... 2

Curva característica del diodo zener .......................................................................................................... 2

Desarrollo del proyecto ...................................................................................................................................... 3

Material .......................................................................................................................................................... 3

Cálculo ............................................................................................................................................................ 3

Pruebas y analisis de resultados ......................................................................................................................... 6

Simulacion en Multisim .................................................................................................................................. 6

Mediciones fisicas........................................................................................................................................... 8

Carga máxima ............................................................................................................................................. 9

Carga mínima ............................................................................................................................................ 11

Bibliografía........................................................................................................................................................ 12

Anexos .............................................................................................................................................................. 12

Circuitos .................................................................................................................................................... 12

INTRODUCCION

En esta práctica se intenta comprobar el funcionamiento de un diodo Zener utilizado como regulador de voltaje, además se incluye la implementación de un filtro RL para compensar el incremento de corriente causado por los valores elevados de capacitores utilizados

MARCO TEÓRICO

DIODO ZENER

El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente. Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa), conducen siempre en el sentido de la flecha.

En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común. Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante.

En la Figura 2 se ve el símbolo de diodo zener (A - ánodo, K - cátodo) y el sentido de la corriente para que funcione en la zona operativa

Curva característica del diodo Zener

Analizando la curva del diodo zener se ve que conforme se va aumentando negativamente el voltaje aplicado al diodo, la corriente que pasa por el aumenta muy poco.

CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO ZENER

Una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensión de Zener (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño, pudiendo considerarse constante.

Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un gran rango de valores. A esta región se le llama la zona operativa. Esta es la característica del diodo zener que se aprovecha para que funcione como regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene practicamente constante para una gran

variación de corriente. Ver la Figura 3.

Figura 1 Imagen de un diodo Zener

Figura 2 Simbolo del diodo Zener con la dirección del flujo de la corriente para su normal funcionamiento

Figura 3

DESARROLLO DEL PROYECTO

MATERIAL

• 1 Transformador 120:24 V • 4 Diodos 1N4007 • 2 Capacitores 4700 uF, 50 V • 1 Resistencia 56 o, 2 W • 1 Diodo Zener 1N4740A • 1 Potenciómetro de potencia 1 W

CÁLCULO

El diagrama del circuito puede apreciarse en el Anexo 1. Datos de diseño:

(1) [ ]200mV

100 1000

12 2 V

rpp

L

m

V

R

V

=

≤ ≤ Ω

=

De los datos del fabricante se obtiene:

(2) ( )max 91mAzI =

Para la corriente mínima se utilizará el criterio de usar el 10% de la corriente máxima, es decir:

(3) ( ) ( )min max0.1 9.1mAz zI I= =

De la salida del rectificador se obtienen los siguientes valores (Se considera una caída de 0.7 V en cada diodo:

(4) ( )

( )

max

min

2 16.97 1.4 15.57 V

2 16.97 1.4 0.2 15.37 Vm Di

m D rppi

V V V

V V V V

= − = − =

= − − = − − =

El modelo de diodo seleccionado fue 1N4740A, el cual ofrece una regulación de 10V, por lo tanto, analizando la resistencia de carga RL.

(5) ( )

( )

min

max

10V 10mA100010V 100mA100

L

L

R

R

I

I

= =Ω

= =Ω

El análisis para encontrar Rs se hará primero considerando una resistencia de carga constante:

(6) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

max max max

min max min

100 91 191mA

100 9.1 109.1mAs L

s L

R R Z

R R Z

I I I

I I I

= + = + =

= + = + =

Con estos datos es posible calcular la resistencia:

(7)

( )( )

( )

( )( )

( )

minmax

min

maxmin

max

15.37 10 49.220.1091

15.57 10 29.10.191

s

s

zis

R

zis

R

V VR

I

V VR

I

− −= = = Ω

− −= = = Ω

Ahora considerando que el voltaje es constante:

(8) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

max max min

min min max

100 9.1 109.1mA

10 91 101.1mAs L

s L

R R Z

R R Z

I I I

I I I

= + = + =

= + = + =

Calculando la resistencia:

(9)

( )( )

( )

( )( )

( )

maxmin

max

maxmax

min

15.57 10 51.050.1091

15.57 10 55.090.1011

s

s

zis

R

zis

R

V VR

I

V VR

I

− −= = = Ω

− −= = = Ω

Estos resultados nos entregan un valor de entre 29.1 y 55.09 Ω para la resistencia. En este caso se escogió una resistencia de 51 Ω para el cálculo, pero debido a limitaciones por falta de material se usó una resistencia de 56 Ω para el modelo físico. Para proteger el circuito se calculará la potencia de la resistencia anterior. Para proteger esta resistencia se calculará la potencia que debe soportar:

(10) ( ) ( ) ( ) ( )22max max 0.191 51 1.86 W

s s sR RP I R= = =

Para el cálculo del capacitor se considera todo el equivalente de resistencia a la derecha de éste, es decir, la resistencia RL en serie con la resistencia aparente del diodo Zener y la resistencia de carga en paralelo. La resistencia aparente del diodo Zener (se usará la mínima para el diseño en la peor condición posible) se puede expresar como:

(11) ( )max

10 109.890.091

ZZ

Z

VRI

= = = Ω

La resistencia total de descarga del capacitor sería la siguiente:

(12) ( )( )100 109.89

51 103.35100 109.89

L ZT s

L Z

R RR RR R

= + = + = Ω + +

El valor del capacitor viene dado por la expresión:

(13) 2

m

T rpp

VCfR V

≥

Sustituyendo los valores conocidos en la ecuación (13) se obtiene:

(14) ( )( )( )15.57

2 2 60 103.35 0.26.2mF

m

T rpp

VfR V

C

=

≥

El capacitor fue elegido de 9.4 mF, así:

(15) 9.4mFC =

En clase se demostró que el valor del capacitor y de la bobina del filtro vienen relacionados por:

(16) 2 2 2 2 1nh

encV V

n L Cω=

−

En donde n es el número del armónico (se usara 2 porque el resto tiene magnitud despreciable), entonces:

(17) 2n =

(18) 24

3 2m

hVVπ

=

(19) 0.2 m

encVVπ

=

(20) 2 377fω π= ≈

Sustituyendo las ecuaciones (15), (17), (18), (19) y (20) en la ecuación (16) y despejando el valor de L se obtiene:

(21) 1.07 mHL =

PRUEBAS Y ANALISIS DE RESULTADOS

SIMULACION EN MULTISIM

Figura 4. Valores de la corriente por el diodo Zener (izquierda) y el voltaje de salida (derecha) con una carga de 100 Ω.

Figura 5. Valores de la corriente por el diodo Zener (izquierda) y el voltaje de salida (derecha) con una carga de 110 Ω.

Figura 6. Valores de la corriente por el diodo Zener (izquierda) y el voltaje de salida (derecha) con una carga de 500 Ω.

Figura 7. Valores de la corriente por el diodo Zener (izquierda) y el voltaje de salida (derecha) con una carga de 1000 Ω.

Figura 8 Valores del voltaje al salir del filtro (rojo) y después de la regulación del diodo Zener (Azul), la escala vertical de la figura es de 100 mV por división.

MEDICIONES FISICAS

Figura 9. Detalles del circuito

CARGA MÁXIMA

Figura 10. Detalle de la carga, configurada al máximo.

Figura 11. Lectura de voltaje en el multímetro para la carga de la figura anterior.

Figura 12. Lectura del osciloscopio con la misma carga

Figura 13. Lectura de corriente en el Diodo Zener para la misma carga.

CARGA MÍNIMA

Figura 14 Voltaje en la carga (Ajustada aproximadamente a 100 Ω)

Figura 15. Corriente que pasa por el diodo Zener

BIBLIOGRAFÍA

• Boylestad, Robert & Nashelsky, Louis. Electrónica teoría de circuitos. Ed. Prentice Hall • Electrónica Unicrom. Diodo Zener. Obtenido de www.unicrom.com/Tut_diodozner_.asp

ANEXOS

CIRCUITOS

Anexo 1 Diagrama del circuito