Configuraciones con diodos

1 Informe 3- Configuraciones con diodos Lisseth Tatiana Herrera Rosero - ltherreraro@unal.edu.co Brayam Santiago Velandia Castillo - bsvelandiac@unal.edu.co . Departamento de Ingenierı́a Eléctrica y Electrónica Universidad Nacional de Colombia. Bogotá. Marzo 7 de 2017. RESUMEN—La función principal de un diodo en un circuito de corriente alterna es rectificar la señal para obtener una corriente continua, pero tiene otras aplicaciones como son los seguidores, sujetadores y re cortadores, que modifican la señal para aplicaciones determinadas. En esta práctica se busca entender el comportamiento de las diferentes configuraciones de diodos e intentar diseñar circuitos que usen este tipo de configuraciones. pero cuando la corriente que atraviesa el diodo es la parte negativa el diodo no conduce como se ve en la figura 1. PALABRAS CLAVE—Diodo, recortadores, seguidores, sujetadores, multiplicadores. ABSTRACT—The main function of a diode in an alternating current circuit is to rectify the signal to obtain a direct current but has other applications such as the followers, fasteners and trimmers, which modify the signal for certain applications. In this practice it is sought to understand the behavior of the different diode configurations and to try to design circuits that use this type of configurations. I. INTRODUCCI ÓN E N la electrónica es importante trabajar con corriente continua para poder controlar adecuadamente los componentes del circuito, si la corriente varia con el tiempo este proceso es más complicado, por eso la aplicación de los diodos es rectificar la corriente alterna, pero también tienen otras aplicaciones como recortar un pedazo de la señal también se conoce como limitadores y eliminan una parte de tensión que este por encima de una tensión de referencia, sirve para proteger sobre tensiones en un dispositivo. Otra aplicación de los diodos es sujetar la señal es decir desplaza la señal a cierto nivel de tensión puede ser necesario cuando las variaciones de corriente alterna deben producirse en torno a un nivel concreto de corriente continua. También, están los multiplicadores, un multiplicador de tensión es un circuito eléctrico que convierte tensión desde una fuente de corriente alterna a otra de corriente continua de mayor voltaje mediante etapas de diodos y condensadores. Fig. 1: Rectificador de media onda [1] Por otro lado están los circuitos rectificadores de onda completa, hay varias configuraciones para lograr esto, la mas común y eficiente es con un puente de diodos como se ve en la figura 2 en la parte izquierda se ve la señal de entrada y en la parte derecha el esquema del circuito. II. MARCO TE ÓRICO A. Rectificador Un circuito rectificador, puede ser de media onda o de onda completa; para rectificar media onda de una señal de corriente alterna se necesita un diodo, una resistencia y fuente de corriente alterna, la fuente de corriente alterna varia en el tiempo de voltaje positivo a voltaje negativo, cuando por el diodo pasa el voltaje positivo de la señal el diodo conduce Fig. 2: Rectificador onda completa [1] La corriente alterna varia en el tiempo, cuando la corriente esta en su ciclo positivo el circuito se comporta como se observa en la figura 3 los diodos 1 y 4 quedan conectados 2 en inverso por lo cual se comportan como un circuito abierto y la corriente fluye como se muestre en la imagen 3 En el lado izquierdo se ve la señal de entrada y en el lado derecho la señal de salida, es la misma ya que como se menciono pasa toda la parte positiva de la señal con la resistencia R. Fig. 5: Recortador en serie [1] Fig. 3: Corriente alterna ciclo positivo Rectificador onda completa [1] Cuando la señal cambia al ciclo negativo Con voltajes menores que la fuente DC el diodo se encuentra en el estado de circuito abierto y la salida es de 0 V, como se muestra en el trazo de vo en la figura 6 . Otra cosa que se debe tener en cuenta es que cuando el diodo está encendido y se estable corriente a través de él, el voltaje de salida será el siguiente, según la ley de voltajes de Kirchhoff: vo = vi + V. De manera similar cuando la corriente de entrada es del ciclo negativo de la señal los diodos 2 y 3 quedan conectados en inverso y se comportan como un circuito abierto, la corriente fluye como se ve en la figura 4 donde la señal llega a la resistencia R por el mismo lado que llegaba anteriormente es decir positiva mente como se ve en en lado derecho de la figura. De esta manera el resultado es que el circuito rectifica la onda completa de la señal a través de todo el periodo. Fig. 6: Recortador en serie (entrada y salida) [1] Fig. 4: Corriente alterna ciclo negativo Rectificador onda completa [1] 2) Recortador en paralelo: El análisis se hace de manera similar a como se hizo en el recortador en serie, pero en este caso el esquema general esta dado por la figura 7, en este caso la polaridad de la fuente de DC y la dirección del diodo indican que el diodo conduce durante una buena parte de la región negativa de la señal de entrada. Cuando el diodo actúa como cortocircuito es decir conduce la salida será de V DC. Por otra parte, cuando el diodo actúa como circuito abierto, la corriente a través de la red en serie será de 0 mA y la caı́da de voltaje a través del resistor será de 0 V. Eso ocasiona que vo = vi siempre que el diodo deje de conducir. B. Recortadores Los recortadores como su nombre lo indican recortan parte de la señal de corriente entrante, en esta categorı́a también podrı́an entrar los rectificadores de media onda pues recortan la parte negativa de la señal. Existen varias configuraciones de recortadores según la aplicación que se requiera, las configuraciones mas comunes son en serie o paralelo. 1) Recortador en serie: Un esquema general se puede ver en la figura 5, cuando el voltaje de entrada esta en el ciclo positivo de la señal el diodo esta en directo pasa corriente por él. Fig. 7: Recortador en paralelo [1] El resultado es un cambio de estado cuando Vi = V, el nivel de transición se traza junto con vo = V cuando el diodo está encendido. Para Vi ≤ V, vo = V, y la forma de onda se repite en la gráfica de salida, como se ve en la figura 8. 3 Fig. 8: Recortador en paralelo salida y entrada [1] Fig. 10: Rectificador de onda completa [1] C. Sujetador Un sujetador es una red compuesta de un diodo, un resistor y un capacitor que desplaza una forma de onda a un nivel de cd diferente sin cambiar la apariencia de la señal aplicada [1]. Para este tipo de circuitos se debe tener en cuenta que el resistor y el capacitor de la red deben ser elegidos de modo que la constante determinada T=RC sea bastante grande para garantizar que el voltaje a través del capacitor no se descargue significativamente durante el intervalo en que el diodo no conduce, en la figura 9 se puede ver de manera general el esquema de este tipo de circuitos. Al simularlo se tiene la figura 11 donde amplitud de tensión de salida es 3.59V y el periodo es de 25ms. Fig. 9: Sujetador [1] Cuando el diodo esta en directo y esta conduciendo corriente y el condensador se carga en ese tiempo, cuando el diodo deja de conducir y se comporta como circuito abierto el condensador sigue cargado, aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff alrededor de la malla de entrada se obtiene que -VV-Vo=0 es decir V0=-2V la señal de salida esta mostrada en la figura III. SIMULACIONES Y CALCULOS A. Rectificador de onda completa El ejercicio propuesto es diseñar un circuito que rectifique la onda completa y tenga una amplitud de aproximadamente 3,6 V y un perı́odo de 25 ms, teniendo en cuenta lo que se aprendió en el marco teórico y lo aprendido en clase se opto por un circuito como se ve en la figura 10 Fig. 11: Rectificador de onda completa simulación Para analizar el circuito y tomando el diodo con el modelo ideal se tiene que cuando la señal de entrada esta en el ciclo positivo el diodo 1 no conduce (se comporta como circuito abierto) y el diodo 2 si conduce (se porta como corto circuito) como se ve en el esquema 12 de esta manera por leyes de de tension se tiene que V0 = 1/2 Vi, en este caso como el voltaje de entrada es 7.8 el V0 de salida seria 3.9 pero esto en el modelo ideal, pero si tenemos en cuenta el modelo aproximado que indica que cuando conduce el diodo de silicio se comporta como una fuente de 0.7V, entonces el voltaje de salida seria V0=(7.8-0.7)/2 = 3.55V. 4 El siguiente ejercicio propuesto era algo similar con una señal de entrada de v(t) = 5sin(wt) con frecuencia de 1 kHz pero valor máximo 1V y valor mı́nimo -9V, en este caso se intento usar el esquema de los sujetadores pero no funcionaba muy bien, para poder estabilizar la señal se tuvo que poner dos condensadores y dos resistencias, si no se ponı́an la señal de salida era de forma cuadrada, en cambio ası́ los condensadores se cargan y la señal se desplaza como se pide y se mantiene sujete en ese rango de valores. Fig. 12: Análisis del circuito 10 B. Sujetadores El ejercicio propuesto es diseñar un circuito que tenga una señal de entrada v(t) = 5sin(wt) con frecuencia de 1 kHz y su salida sea una señal cuyo voltaje maximo sera 7V y su voltaje mı́nimo sera -3V, el diseño propuesto se ve en el esquema 13. Para hacer este esquema se baso en lo investigado en el marco teórico en la parte de sujetadores, el valor de T=200000*0.000001=0.2, el tiempo que se requiere para garantizar que el capacitor no se descargue. Fig. 15: Esquema del circuito propuesto Al simular este circuito se obtuvo la señal pedida como se ve en la figura 16 Fig. 13: Esquema del circuito propuesto Al simular este circuito se obtuvo la señal pedida como se ve en la figura 14 Fig. 16: simulación del circuito 15 C. Recortador y sujetador Fig. 14: simulación del circuito 13 se pedı́a diseñar un circuito cuya señal de entrada era V(t)= de 8sin(wt) a frecuencia de 1 kHz, se recorte en 3V hacia arriba y 3V hacia abajo, se utilizo el esquema general de recortadores, pero para que se recortara el ciclo positivo y el ciclo negativo se puso un diodo de forma inversa al otro para que de esta forma se asegurara de recortar las dos partes de la onda el resultado es el esquema 17. 5 Fig. 17: Esquema del circuito propuesto Fig. 20: Señal de salida rectificador de onda completa Al simular este circuito se obtuvo la señal pedida como se ve en la figura 18 Este circuito si bien rectifico la onda de forma aproximada a como se esperaba, se puede ver que en un periodo de tiempo la tension es mayor que en otra parte del periodo esto se debe a que las resistencias reales no son de exactamente 2KΩ y esto hace que varié la tension como se explico en los cálculos que se realizaron. Otra cosa que se debe tener en cuenta en este circuito es que no es eficiente pues se necesita el doble del voltaje deseado para el voltaje de entrada, cosa que no ocurre en el puente de diodos como se explico en el marco teórico. Fig. 18: simulación del circuito 17 IV. AN ÁLISIS DE RESULTADOS A. Circuitos diseñados 2) Sujetadores: Se tomo verifico en el oscilospio el circuito diseñado en el esquema figura 13 se comprobó que la señal si se desplaza hacia arriba y se sujete a ese rango de valores, hay algunas diferencias ya que el generador de señales era con perillas y era difı́cil poner el valor exacto de voltaje pico requerido. 1) Rectificador de onda completa: En la figura 19 se puede ver la señal de entrada para probar el circuito diseñado de la figura 10. Fig. 21: Señal de salida sujetador figura 13 Fig. 19: Señal de entrada rectificador de onda completa La señal de salida se muestra en la figura 23 se puede ver que las dos señales no se pueden mostrar juntas porque al conectar el osciloscopio las dos sondas como el osciloscopio comparte la tierra de las sondas distorsiona la salida por eso fue necesario conectar una sola sonda y mostrar por separado las señales. Se tomo verifico en el oscilospio el circuito diseñado en el esquema figura 15 en este caso ocurrió lo que se esperaba mientras los condensadores cargaban la señal si bien se desplazaba hacia abajo no estaba en el rango esperado, pero una vez los condensadores cargaban se obtenı́a una señal como la mostrada en la figura 21. 6 Fig. 22: Señal de salida sujetador figura 15 3) Recortador y sujetador: Al comprobar el diseño del esquema de la figura 17 se puede ver que si el circuito si recorta la señal como se esperaba aunque tiene una forma no tan recta en las puntas debido al condensador que seguramente no se mantiene en voltaje esperado y se alcanza a descargar ligeramente Fig. 23: Señal de salida rectificador de onda completa B. Circuitos propuestos 1) Circuito 1 (Recortador) : Según el montaje, cuando la señal de entrada es positiva el D1 conduce, ya que lo polariza en directo. Pero para que conduzca la señal debe superar los 3 v de la fuente DC. Por esta razón, el osciloscopio muestra un corte cuando Vout se aproxima a 3 v. La misma situación se repite para la parte negativa, pero en este caso es D2 es el que se polariza en directo. En cambio D1 se aproxima a un circuito abierto. Fig. 24: Montaje: Circuito re cortador. Fig. 25: Señal de salida circuito 1 En la función de transferencia, que en la imagen quedó desplazada a la derecha, se deduce que en el semi-ciclo positivo, Vi va a ser igual Vout hasta que llega a 3v, donde se vuelve continua. Y en el semi-ciclo negativo, se repite esto, pero en -3v. Fig. 26: Función de transferencia circuito 1 2) Circuito 2 (Recortador) : Este montaje es similar al del circuito 1. En este caso se recorta la señal de la misma forma en el semi-ciclo positivo, pero en el negativo se recorta todo. Esto es porque en la rama de D1 no hay ninguna fuente DC, ası́ que el voltaje de salida es 0 v. Fig. 27: Montaje: Circuito recortador 2 7 Fig. 28: Señal de salida circuito 2 Fig. 31: Señal de salida circuito 3 Ası́ mismo, si se desplaza la gráfica de la función de transferencia en el oscilospio, hacia la derecha; se verá que en el semi-ciclo negativa V out es cero y en el positivo V out es igual a V i, hasta que llega a 3v. En la función de transferencia, se tiene una recta con pendiente mayor, donde el eje vertical es Vi y el horizontal Vout . Fig. 29: Función de transferencia circuito 2 3) Circuito 3 (Sujetador) : El análisis de los siguientes montajes, puede resultar más fácil con una señal cuadrada. Cuando Vi es positivo y menor a 5 v, el diodo disipa la señal de entrada. Cuando es mayor a 5v se polariza en directo, entonces Vout es no supera los 5 v y C1 se carga a 5v. La diferencia de voltaje del condensador se consigue aplicando la ley tensiones. Luego, cuando Vi es negativo el diodo se comporta como circuito abierto, disipando los 5 v de la fuente que lo conecta en serie. Es importante resaltar, que el valor de la resistencia es fundamental; si se tuviera un valor más bajo no podrı́a disipar el voltaje de la fuente y el condensador cuando el diodo se abre. Fig. 30: Montaje: Circuito sujetador Fig. 32: Función de transferencia circuito 3 4) Circuito 4 (Multiplicador) : Cuando Vi es mayor a 0 y menor o igual a 2v, el D1 conduce y C1 se carga. Se puede ignorar el resto del circuito, puesto que está en paralelo con un corto. En el momento en que Vi comienza a bajar, menor a 2v, C2 se comienza a cargar, hasta que finalmente queda con el doble de diferencia de potencial de la fuente,llegando al semi-ciclo negativo. Esto se repite para C3. Si la constante τ en el circuito fuera muy pequeña no se podrı́a obtener este comportamiento. Fig. 33: Montaje: Circuito multiplicador 8 • • Fig. 34: Señal de salida circuito 4 La gráfica de transferencia, muestra que para la señal de entrada Vi se tiene una salida de -4 v, duplicando la señal que recibe el circuito. El condensador C3 tarda más tiempo en cargarse. • • Fig. 35: Función de transferencia circuito 4 Si hay diferencias ya que el simulador no tiene en cuenta factores como la temperatura o la variación que tienen las resistencias, por ejemplo en la figura se ve que a pesar de que se esta rectificando la señal hay una diferencia entre la rectificación del ciclo positivo de la señal y del ciclo negativo pues las resistencias en teorı́a son de 200Ω pero en la realidad tienen una incertidumbre del 10% que hace variar su valor en ese rango y afecta la rectificación. El tipo de circuito se identifica por la configuración que tiene, en el caso del rectificador hay 3 configuraciones, puente de diodos, usando un transformador o con 3 resistencias del mismo valor y dos diodos, en el caso de los sujetadores su configuración se explico en el marco teórico y la caracterı́stica es que tienen condensadores que mantienen cierto voltaje para que el diodo siga conduciendo y finalmente los recortadores tiene una fuente DC como caracterı́stica. Cuando se incrementa la frecuencia solo se modifica el periodo de la señal mas no afecta el comportamiento del circuito Cuando se cambia la forma de la señal o la amplitud ahı́ si cambia completamente la señal de salida, ya que puede ocasionar que el diodo no conduzca sobre todo en el caso de los sujetadores y recortadores, ya que se calculan valores para los cuales el condensador se carga y diodo conduzca si se cambia la amplitud de entrada este valor sera diferente y en el caso de los recortadores se calcula un voltaje para la fuente DC y si cambia el valor de entrada por ejemplo que sea menor al de la fuente el diodo siempre conducirá solo esta influido por el valor de la fuente DC. VII. CONCLUSIONES V. PREGUNTAS • • • • • ¿Qué dificultades encuentra en la realización de las mediciones? ¿Encuentra diferencias entre las mediciones, los cálculos de diseño y los resultados de simulación? ¿A que atribuye las diferencias si las hay? ¿Cómo se puede identificar si el tipo de circuito es un recortador, multiplicador, sujetador, limitador o un rectificador? ¿Qué ocurre cuando se incrementa la frecuencia de la fuente de alimentación? ¿Cómo se afecta el comportamiento de cada circuito si se cambia la forma de la señal de entrada o su amplitud? VI. RESPUESTA A LAS PREGUNTAS • La dificultad de las mediciones era la puesta a tierra por ejemplo en el caso del circuito 1 diseñado como se ve en la figura la tierra de entrada y salida son diferentes pero al medir las dos señales juntas se distorsiona la señal porque el osciloscopio comparte la tierra para sus dos salidas, cuando se conectada el osciloscopio a la entrada y salida el circuito quedaba como si salida compartiera tierra con la entrada y esto es incorrecto por lo cual se alteraba la medición. Las configuraciones con diodos son de utilidad para proteger los circuitos, y demás, pero es necesario tener cuidado al realizar los cálculos para determinar el valor adecuado de las resistencias y el condensador, siempre teniendo en cuenta que el valor de las resistencias real puede variar y esto afectara el comportamiento de la señal como en el caso del rectificador de onda completa que se diseño y no se tuvo en cuenta esa variación de las resistencias reales. Se debe tener precaución con las tierras y como conectar el circuito ya que esto también afecta significativamente el funcionamiento del mismo, y la frecuencia no juega un factor importante en estas configuraciones pero si la forma de la señal y la amplitud ya que cualquier variación en estos afectos pueden cambiar completamente el funcionamiento del circuito ya que los cálculos se dan para cierto valores de entrada y ciertas formas de señal. R EFERENCIAS [1] R. Boylestad, Boylestad and Nashelsky’s electronic devices and circuit theory, 1st ed. Toronto: Prentice Hall, 2001, pp. 77-114. [2] A. Sedra and K. ”Señales”Smith, Microelectronic circuits, 4th ed. Oxford: Toronto pp. 2-6. [3] M. Sadiku, C. Alexander and S. Musa, Applied circuit analysis, 1st ed. New York, NY: McGraw-Hill, 2013, pp. 457-483.