Informe de Laboratorio de Circuitos Dobladores, Recortadores y Respuesta en Frecuencia Pr ofesores ofesores:: Pablo A quev queve eque, Esteban Esteban Pi no A yud yudan antes: tes: M ar ía I gn gnaci acia a Agu i l era, J avier avi er Ch ávez, vez, Soledad M uñ oz Salvador Gall Gal l ardo ar do Ri quelme, quelm e, Ni colás Muñ M uñ oz Ar i as Ingeniería Civil Biomédica, Departamento Ingeniería Eléctrica, Universidad de Concepción, Concepción, Chile.
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Abstract- Se desarrollaron actividades empíricas que abordan la respuesta en frecuencia de circuitos dobladores y recortadores, con el objetivo de identificar que ocurre con las diferentes señales y parámetros al variar la frecuencia en la fuente de entrada o al insertar una carga resistiva en los diferentes circuitos. Estos análisis fueron posibles gracias a la implementación de cada circuito y el uso de un generador de funciones en el cual podemos controlar variables tales como el tipo de la señal de entrada y/o sus parámetros, además de un osciloscopio el cual nos permitió observar detalladamente el comportamiento de cada señal de forma práctica. En consecuencia se encontró encontró que en un circuito circuito doblador la señal muestra un rizado al añadir una carga resistiva al circuito circuito así mismo se comprueba que como dice la teoría el voltaje máximo de salida es el doble del de entrada. Otro resultado resultado relevante corresponde corresponde a la confirmación de que al utilizar diodos de una respuesta mayor de frecuencia el circuito toleraba mayores valores de frecuencia antes de dejar de rectificar. rectificar. De forma global se puede inferir que los diodos que tienen la cualidad de al rectificar soportar mayores frecuencias serían los elegidos para diferentes aplicaciones, debido a la mayor tolerancia que estos eventuales circuitos tendrían.
I.
II.
INTRODUCCIÓN
Los circuitos recortadores se encargan de eliminar una porción de la señal alterna alterna que entra al circuito, circuito, también se puede decir que limitan el valor máximo que puede tomar una señal, por otro lado se entiende por circuito doblador aquel que aumenta el voltaje alterno de entrada en un factor que dependerá de la cantidad de diodos y condensadores con los que se haya diseñado 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 implementación, es por ello que cobra importancia diferenciar las características de un diodo 1N4007 y un diodo 1N4148, el primero se considera un diodo “lento” esto es por qué rectifica a la frecuencia que nos entrega una red eléctrica 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 rápido Todos estos conceptos teóricos fueron desarrollados de forma real, implementando y analizando cada circuito, por lo cual en las siguientes páginas se podrá encontrar encontrar con la descripción detallada detallada de cada actividad realiza, los resultados numéricos de cada u na de ellas, los datos obtenidos por medio de la visualización en un osciloscopio de las señales , así como también se presentaran diferentes inferencias de los datos numéricos , interpretaciones de los comportamientos de las señales y diferentes conclusiones respecto todo el desarrollo practico de las actividades.
MATERIALES Y MÉTODOS
A. Materiales: 1)
Equipos: Para poder ejecutar la implementación implementación de circuitos fue necesario contar con:
2)
Osciloscopio: Tektronix TDS 1002B Two channel,(60MHz, 1GS/s) Multímetro Digital: Meterman Modelo 37XR Transformador Reductor (220 Vrms / 12 Vrms) – 12Vrms 12Vrms / 500 [mA]. Generador de Funciones GW Instek GFG-8216A. GFG-8216 A. Fuente de Poder DC: GW Instek GPS-3030D (Imax=3 [A]; Vmax=30 [V])
Componentes: En esta categoría tenemos:
los
Protoboard. Cables de Conexión. 1 Resistencia de 10 k[Ω] 1 Resistencia de 1 k[Ω]. 2 Condensadores de 1 μF/50V 2 Condensadores de 10 μF/50V 2 Condensadores de 100 μF/50V
4 Diodos 1N4007. 4 Diodos 1N4148
B.
Métodos
Los conceptos teóricos requeridos como conocimientos previos para la adecuada ejecución de las actividades prácticas próximamente descritas son los siguientes: Circuito Doblador: Circuito formado por diodos y capacitores el cual tiene como entrada una señal alterna cuyo voltaje continúo de salida será el doble del de la entrada.
Circuitos Recortador: Este circuito elimina una porción de la señal alterna que ingresa al circuito, se diseña 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 señal de corriente alterna a corriente continua es muy probable que quede una pequeña porción de la componente alterna en la señal continua rectificada, este resto es lo que se conoce como ripple o rizado.
B.1
Ecuaciones
Las expresiones matemáticas que nos permiten obtener distintos resultados numéricos son:
Ecuación 1. Relación entre el voltaje de entrada y de salida en un circuito doblador
Ecuación 2. Corriente Media en los Terminales de la Carga.
Ecuación 3. Voltaje Medio en los Terminales de la Carga.
(3)
√ Ecuación 3.Relacion Valor rms y Valor Peak de una Señal.
(4)
Ecuación 4. Ganancia del voltaje del rectificador.
(5)
III.
DESARROLLO
Esta experiencia tiene como objetivo implementar variadas configuraciones de circuitos con presencia de semiconductores, en específico diodos. Dichas implementaciones tendrán las siguientes configuraciones: Circuitos Dobladores, Circuitos Recortadores y Circuitos Rectificadores en Alta y Baja Frecuencia. Iniciando con la primera implementación ya antes mencionada, se tendrá que visualizar las características de operación de los circuitos dobladores, que están configurados de manera tal que nos permiten obtener un voltaje de salida 2 veces mayor que el voltaje de entrada, dicha relación se muestra en la ecuación 1, tales circuitos son característicos para variados usos en la electrónica. Y su funcionamiento, viene dado por que al ser su ministrado por una señal sinusoidal, esta señal poseerá 2 semiciclos uno positivo, en el cual la configuración de este circuito nos dejara polarizado directamente uno de los 2 diodos y a la vez se cargara 1 condensador, hasta su punto máximo, y el otro semiciclo el diodo que estaba polarizado inverso, cambia su polarización y empieza a conducir, lo que quiere decir que el capacitor 2 se carga al máximo, entre ambos semiciclos, se tiene que se deben sumar los valores de voltajes máximos de los condensadores, ya que cuando no poseen carga no se alcanzan a descargar y es por eso que se llama doblador. Además, si al circuito dobladores se le agrega una carga en la salida, dicha señal adquiere un voltaje de rizado, por la caída de potencial que está presente en la resistencia. Para poder disminuir el voltaje de rizado y mejor la respuesta, es necesario aumentar el valor d e la capacitancia. En la actividad 2, se implementa un circuito recortador de tensión, el cual se diseñara para que recorte la señal de voltaje superior a 3 [V], para ello, es necesario constar con 1 fuente de poder continua que dependerá de que voltaje esté presente en el diodo para poder fijar la salida de 3[V], además el circuito debe constar con 1 diodo, una resistencia y la señal de alimentación alterna será proporcionada por el generador de funciones que se fijara con un voltaje rms igual a 5 y a una operación de 100 Hz, y se dispondrá de 2 formas de salida una señal sinusoidal y una señal triangular. En las actividades 3 y 4, el propósito es poder visualizar el rango de operación en la rectificación de onda completa en base a la frecuencia. En el caso de la actividad 3, se dispondrá 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 señal de salida en base a la variación de la frecuencia en la entrada del circuito. Esta configuración de rectificador de onda completa, se tiene que la frecuencia de salida del circuito será el doble de la frecuencia de entrada. Por las características nominales del diodo, se tendrá que podrá soportar un rango de frecuencia relativamente bajo en comparación 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 más rápida, y soportan una mayor frecuencia de rectificación.
1N4007
IV.
RESULTADOS C1 10µF
A continuación, se entregaran los datos obtenidos en cada una de las experiencias:
Vs 220 Vrms/ 50Hz
C2 10µF
A. Experiencia N° 1: Circuitos Dobladores 1N4007
En esta sección, se mostraran las implementaciones de los circuitos dobladores con carga y sin carga, junto con las distintos tipos de mejoras a través del aumento de la capacitancia. Además, se entregara la visualización grafica obtenida a través del osciloscopio. En las figuras 1 y 2 se muestra el circuito doblador sin carga y con
Fig.3 Circuito Doblador sin Carga y Capacitores de 10 µF 1N4007
carga de 10 kΩ, junto con capacitores de 1µF. 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 µF.
C1 10µF R 10kΩ
Vs 220 Vrms/ 50Hz
C2 10µF
1N4007
C1 1µF Vs 220 Vrms/ 50Hz
1N4007
Fig.4 Circuito Doblador con Carga de 10 kΩ y Capacitores de 10 µF
C2 1µF
1N4007 1N4007
C1 100µF
Fig.1 Circuito Doblador sin Carga con Capacitores de 1 µF Vs 220 Vrms/ 50Hz
1N4007
C2 100µF C1 1µF
1N4007 R 10kΩ
Vs 220 Vrms/ 50Hz
C2 1µF
Fig.5 Circuito Doblador sin Carga con Capacitores de 100 µF 1N4007
1N4007
C1 100µF
Fig.2 Circuito Doblador con Carga de 10 kΩ y Capacitores de 1 µF
R 10kΩ
Vs 220 Vrms/ 50Hz
C2 100µF
1N4007
Fig.6 Circuito Doblador con Carga de 10 kΩ y Capacitores de 100 µF TABLA I
Parámetros de Voltajes Presentes en Circuito Doblador Con Capacitores de 1µF, sin Carga y con Carga de 10 kΩ
Parámetros Voltaje Entrada Doblador
Teórico 16,9 [V]
Experimental 17,1 [V] Sin Carga
Voltaje Salida Doblador
Vmax Vmin Vmedio ΔV
33,94 [V] Con Carga
Factor de Ripple Vmax Vmin Vmedio ΔV
Factor de Ripple
34,4 [V] 34 [V] 34,1 [V] 0,4 [V] 0,012 21,6 [V] 8,8 [V] 16 [V] 12,8 [V] 0,8
TABLA II Parámetros de Voltajes Presentes en Circuito Doblador Con Capacitores de 10µF, sin Carga y con Carga de 10 kΩ
Parámetros Voltaje Entrada Doblador
Teórico 16,9 [V]
Experimental 17,0 [V] Sin Carga
Voltaje Salida Doblador
Vmax Vmin Vmedio ΔV
33,94 [V] Con Carga
Factor de Ripple Vmax Vmin Vmedio ΔV
Factor de Ripple
de 100µF, sin Carga y con Carga de 10 kΩ
Teórico 16,9 [V]
Desde la figura 7 hasta la figura 12, se muestra la visualización de la señal de salida del circuito doblador observada desde el osciloscopio.
Fig.8 Señal Visualizada del Circuito Doblador con Carga de 10 kΩ y Capacitores de 1 µF
Experimental 17,0 [V] Sin Carga
Voltaje Salida Doblador
Una vez implementados los circuitos, se adquirieron los datos experimentales a cada una de las figuras (1-6) y los parámetros serán tabulados en las tablas I, II y III.
32,8 [V] 32 [V] 32,5 [V] 0,8 [V] 0,025 31,2 [V] 26,8 [V] 29,3 [V] 4,4 [V] 0,15
TABLA III Parámetros de Voltajes Presentes en Circuito Doblador Con Capacitores
Parámetros Voltaje Entrada Doblador
Fig.7 Señal Visualizada del Circuito Doblador sin Carga y Capacitores de 1 µF
Vmax Vmin Vmedio ΔV
33,94 [V] Con Carga
Factor de Ripple Vmax Vmin Vmedio ΔV
Factor de Ripple
34,4 [V] 34 [V] 34 [V] 0,4 [V] 0,012 33,6 [V] 32,4 [V] 33 [V] 1,2 [V] 0,036
Fig.9 Señal Visualizada del Circuito Doblador sin Carga y Capacitores de 10 µF
C. Experiencia N° 3: Respuesta en Frecuencia en Rectificador de Onda Completa con Diodos 1N4007
Fig.10 Señal Visualizada del Circuito Doblador con Carga de 10 kΩ y Capacitores de 10 µF
En esta sección, se verán la respuesta en frecuencia de un rectificador de onda completa compuesto por diodos 1N4007, en la figura 17, se muestra la configuración esquemática del circuito, además 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 visualización de la señal correspondiente a variaciones de frecuencia. La alimentación de este los circuitos de las actividades 3 y 4 se realizan a través del generador de funciones.
D. Experiencia N° 4: Respuesta en Frecuencia en Rectificador de Onda Completa con Diodos 1N4148
Fig.11 Señal Visualizada del Circuito Doblador sin Carga y Capacitores de 100 µF
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 más rápidos que los anteriores y que nos proporcionarán un mayor rango de operación en respuesta de la frecuencia, el circuito esquemático es presentado en la figura 21, los parámetros obtenidos experimentalmente son entregados en la tabla VI y se puede observar las señales de salida captadas por el osciloscopio en la figura 22.
1 N 4 0 0 7
R 1kΩ Generador de Funciones Señal Sinusoidal de 5Vrms/ 100Hz
2,3 V
DC
Fig.12 Señal Visualizada del Circuito Doblador con Carga de 10 kΩ y Capacitores de 100 µF Fig.13 Circuito Recortador de Señal Sinusoidal 5Vrms/100Hz
B. Experiencia N° 2: Circuitos Recortadores 1 N 4 0 0 7
R
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 señal de forma sinusoidal y la figura 14 muestra un circuito suministrado por el mismo generador de funciones pero esta vez la señal es triangular, el propósito es eliminar los valores de tensión superiores a 3[V], los valores serán entregados en la tabla IV, y la visualización de las señales serán entregadas desde la figura 15 a la figura 16.
1kΩ
Generador de Funciones Señal Triangular de 5Vrms/ 100Hz
DC
2,3 V
Fig.14 Circuito Recortador de Señal Triangular 5Vrms/100Hz
TABLA IV Parámetros de Voltajes de las Fuentes Presentes en el Circuito Recortador
Parámetro Voltaje Fuente dc Voltaje Fuente ac
Ideal 3 [V] 5 [Vrms]
Real 2,3 [V] 5,02[Vrms]
Fig.18 Señal Visualizada de Circuito Rectificador Onda Completa con Diodos 1N4007 a 100Hz de Frecuencia de Entrada
Fig.15 Señal Visualizada Circuito Recortador de Señal Sinusoidal 5Vrms/100Hz
Fig.19 Señal Visualizada de Circuito Rectificador Onda Completa con Diodos 1N4007 a 10 kHz de Frecuencia de Entrada
Fig.16 Señal Visualizada Circuito Recortador de Señal Triangular 5Vrms/100Hz
Trafo 5Vrms
CA
Fig.20 Señal Visualizada de Circuito Rectificador Onda Completa con Diodos 1N4007 a 1 MHz de Frecuencia de Entrada R1
1 kΩ
18:1
Trafo
Fig.17 Circuito Rectificador Onda Completa con Diodos 1N4007
5Vrms
CA
R1
1 kΩ
18:1
Fig.21 Circuito Rectificador Onda Completa con Diodos 1N4148
mucho mayor tiene un rango más elevado de operación, ya que son diodos más rápidos y solo son afectados por frecuencias superiores a los 3MHz.
Ganancia Vs. Frecuencia para Diodos 1N4007
1 a i c n 0.5 a n a G
0
Fig.22 Señal Visualizada de Circuito Rectificador Onda Completa c on Diodos 1N4148 a 10 kHz de Frecuencia de Entrada
1 Hz
10 H z 100 Hz 1kHz 10kHz 1 00kH z 1 MHz Frecuencia
Ganancia
TABLA V Parámetros de Rectificador de Onda Completa c on Diodos 1N4007 Frecuencia Entrada
Frecuencia Salida
1 Hz 10 Hz 100 Hz 1kHz 5kHz 10kHz 100kHz 1MHz
2 Hz 20,2 Hz 201,6 Hz 1,949 kHz 10,2 kHz 20 kHz 200KHz 2MHz
Parámetros Voltaje Entrada Vrms 5 [Vrms] 5 [Vrms] 5 [Vrms] 5 [Vrms] 5 [Vrms] 5 [Vrms] 5 [Vrms] 5 [Vrms]
Voltaje Medio Salida 3,38 [V] 3,38 [V] 3,1 [V] 3,09 [V] 3,11 [V] 3,06 [V] 2,63 [V] 1,25 [V]
Ganancia 0,676 0,676 0,62 0,618 0,622 0,612 0,526 0,25
Ganancia Vs. Frecuencia para Diodos 1N4148 0.7
a i c 0.65 n a n a 0.6 G
0.55
1 Hz
10 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz
100 kHz
1 MHz
Frecuencia
TABLA VI Parámetros de Rectificador de Onda Completa con Diodos 1N4148 en Alta Frecuencia Frecuencia Entrada 1 Hz 10 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 200 kHz 1 MHz 3 MHz
Parámetros Voltaje Entrada Vrms 2 Hz 5 [Vrms] 20 Hz 5 [Vrms] 202 Hz 5 [Vrms] 2 kHz 5 [Vrms] 20,3 kHz 5 [Vrms] 201 kHz 5 [Vrms] 400 kHz 5 [Vrms] 2 MHz 5 [Vrms] 6 MHz 5 [Vrms]
Frecuencia Salida
Voltaje Medio Salida 3,15 [V] 3,13 [V] 3,02 [V] 3,02 [V] 3,11 [V] 3,14 [V] 3,17 [V] 3,37 [V] 3,69 [V]
Ganancia 0,63 0,626 0,604 0,604 0,622 0,628 0,634 0,674 0,738
E. Diagrama de Bode Aquí se presentaran los diagramas de bode, que indica a que frecuencia aproximada los diodos 1N4007 y 1N4148 empiezan a tener problemas de operación, ya que no empezara a rectificar de manera adecuada. Se puede apreciar que en el gráfico de los diodos 1n4007, el rango de operación en respuesta en frecuencia mayores a 10kHz los diodos dejaran de rectificar onda completa y sufrirán alteraciones en la señal de salida, mientras que en el gráfico de los diodos 1N4148, el comportamiento en respuesta de la frecuencia es
Ganancia
Estos gráficos muestran a que frecuencia los diodos empiezan a sufrir daños en su operación. Los gráficos de a continuación muestran, en el eje y la variable de 20log (Ganancia) Vs. Frecuencia, que son parámetros electrónicos de relevancia en estos circuitos.
20Log(Ganancia) Vs. Frecuencia para Diodos 1N4007 0
) a i c n a n a -10 G ( g o L 0 2
-20
1 Hz
10 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz
Frecuencia
20Log(G)
20Log(G) Vs. Frecuencia para Diodos 1N4148 0 ) G ( g o L 0 2
1 Hz
10 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MH
-5
enunciados teóricos ya que los diodos 1N4148 dejaban de rectificar (la señal se distorsionaba) aproximadamente a frecuencias iguales o superiores a 1MHz en cambio el circuito con diodos 1N4007 esto ocurría cuando la frecuencia bordeaba los 10kHz , esto nos indica que los diodos rápidos (1N4148) son muy eficaces en el procesamiento y detección de señales de radiofrecuencia y son usados como fuentes conmutadas pequeñas en aparatos como los celulares o reproductores mp3, entre otros.
Frecuencia
VI.
20Log(G)
BIBLIOGRAFÍA
F. Pregunta de Investigación
[1]
Pablo Aqueveque, (2014), Guía de Laboratorio N° 2: “Circuitos Dobladores, Recortadores y Respuesta en Frecuencia ”, Abril 2014.
Modelos de baja frecuencia y alta frecuencia en diodos rectificadores.
[2]
Pablo Aqueveque, Apuntes “Diodos”, Marzo 2014.
[3]
C. J. Savant, Martin S. Roden, Gordon L. Carpenter “Diseño Electrónico”, Capitulo 1:”Ana lisis de Circuitos con Diodos Semiconductores”.
Distintos encapsulados de diodos rectificadores de b aja y alta frecuencia.
[4] http://www.unicrom.com/Tut_duplicadores-tension.asp [5]
Existen variados tipos de encapsulados de diodos, por ejemplo los diodos 1N4007 tienen un encapsulado DO-41 de plástico, 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 más resistente
V.
CONCLUSIÓN
Considerando los datos obtenidos en las actividades prácticas ya descritas y la información entregada por el osciloscopio referente al comportamiento de cada señal 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 tensión máxima (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 máximo. Como los dos capacitores están en serie las tensiones almacenadas se suman lográndose el doblador de tensión; esto explica la forma de la señal del circuito doblador de la actividad número 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 catódicos de los televisores de color. Ahora bien, al agregar una carga resistiva al circuito doblador, este nos muestra una señal con un rizado, de ellos podemos concluir que esto ocurre ya que el condensador se comienza a descargar a través 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 con densador. En el proceso de variar la frecuencia entregada a un circuito rectificador de onda completa nos pudimos comprobar los
VII.
OBSERVACIONES Y CUADRO DE EVALUACIÓN
ÍTEM PRESENTACIÓN INVESTIGACIÓN LISTADO DE MATERIALES Y EQUIPOS DESCRIPCIÓN DE ACTIVIDADES, RESULTADOS Y COMENTARIOS SIMULACIÓN COMPUTACIONAL (MOSTRAR AL PROFESOR) DISEÑO Y CÁLCULO TOTAL
MÁXIMO 1.0 0.5 0.5 2.0 1.0 1.0
PUNTAJE
