FILTROS MATERIA:
Electrónica Analógica I I
PROFESOR:
Ing. José Trelles
CLASE Nº:
9
FECHA:
06/01/05 y 14/01/05
TEMAS:
“Conceptos Básicos de Filtros” “Tipos de Filtros” “Funcionamiento del Filtro Capacitivo” “Valores más utilizados en el calculo de Filtros Capacitivos” “Resumen de Formulas” “Condensadores Electrolíticos” “Adaptadores o reguladores de tensión comerciales”
DESARROLLO DESARROLLO DE TEMAS: 1. Conceptos Básicos de Filtros: El siguiente eslabón dentro de la fuente de alimentación que se va a estudiar, es el filtro. Básicamente si se recuerda, la función de un filtro es la de suavizar la tensión de salida salida de un sistema de rectificación, eliminando los valles profundos de tensión o cambios bruscos de tensión, tales como puntos de voltaje cero, los cuales eran típicos de los tres rectificadores antes estudiados. El eliminar estos valles es de suma importancia, cuando los circuitos que utilizarán esta tensión (la carga) no pueden tolerar mucha variación de la tensión. Un caso común de esto son los sistemas digitales TTL, que permiten un rango de variación de 4.90V a 5.10V, es decir, 0.20V, que no incluyen puntos de voltaje cero. Existen otros elementos que si permiten una gran variación de tensión, incluyendo puntos de voltaje cero, tales como motores y electroimanes, en estos casos no es importante el uso de un filtro ya que como se verá más adelante una consideración importante del filtro y que define su costo es la corriente que van a manejar. Mientras mayor sea la corriente que maneje el filtro, mayor será el tamaño y por ende su costo. Este bloque puede estar conformado por uno o varios elementos generalmente de tipo inductivo o capacitivo, o una mezcla de los mismos. Dependiendo del número y el tipo de elementos usados variará la complejidad de cálculo de los mismos. 2. Tipos de Filtro s: Existen varios tipos de filtros, pero entro los más utilizados y conocidos tenemos los siguientes: Filtro Capacitivo, Filtro Filtro Inductivo, Filtro tipo L, Filtro Filtro tipo Pi y Filtro Filtro tipo T. Estos pueden ser observados en los siguientes esquemas:
C
IN
OUT
IN
OUT
L
L
C
C
IN
OUT
IN
L
C
IN
OUT
L
C
L
C
OUT
IN
OU
Por simple observación se puede concluir, que un condensador siempre debe ir en paralelo a la carga en cambio que una inductancia siempre debe ir en serie, esto se debe a que tratamos mayormente con corriente continua, y en esta situación un inductor se comporta más como un circuito cerrado, por otra parte un condensador actúa más como un circuito abierto. 3. Funcionamiento del Filtro Capacitivo: Se realizará el estudio del filtro capacitivo, debido a que una de sus ventajas es el hecho de que su calculo es sencillo, además los componentes en este caso los condensadores son fáciles de conseguir y de bajo costo. Antes de analizar el funcionamiento de este filtro, es necesario aclarar como opera el condensador para esto nos valdremos del siguiente esquema de prueba del condensador: R1
S1
S2
C
R2
Vin
Vin
Vin t1
t1
t2
t2
Como se recordará el condensador es un elemento capaz de almacenar energía en forma de una tensión entre sus dos terminales. De acuerdo a esto, cuando se cierra S1 (S2 apagado) se da inicio al proceso de carga del condensador, dependiendo de que tan grande sea el valor de R1 mayor será el tiempo de carga. Este proceso finaliza hasta que el condensador tiene un voltaje igual al de la fuente que lo alimenta. Seguidamente al cerrar S2 (S1 apagado) el condensador empezará a entregar su energía a la resistencia R2, nuevamente dependiendo de que tan grande sea el valor de R2 mayor será el tiempo de descarga. Este proceso finaliza hasta que el voltaje del condensador es cero. Matemáticamente y en forma simplificada el tiempo de carga o descarga es igual a: t = 0.7 * R * C Una vez que se conoce como va actuar el condensador, es momento de analizar el funcionamiento del mismo como filtro del sistema de rectificación, para lo cual observamos el siguiente esquema: Se descarga C y se apaga D
Se carga C y se enciende D
Como se observa el diodo inicialmente carga al condensador, sin embargo cuando el voltaje en el ánodo del diodo empieza a descender, este deja de conducir ya que el voltaje en el cátodo es mayor. Seguidamente es el condensador quien ahora aportará voltaje a la resistencia, hasta que el voltaje en el ánodo del diodo sea superior al cátodo, momento en el cual el diodo volverá a conducir cargando nuevamente al condensador.
4. Valores más utilizados en el calculo de Filtros Capacitivos: Como ya se ha analizado, el uso de filtros capacitivos nos lleva a obtener una tensión más continua, sin embargo presenta el defecto de ser más susceptibles a las variaciones de la carga, es decir, un simple cambio de la resistencia de carga hacía que el voltaje de salida pase de totalmente continuo (sin carga) a solo rectificado (carga muy próxima a cero). Para eliminar estos problemas es necesario especificar adecuadamente los rangos de operación normales del filtro, dicho de otra manera hace falta un proceso de cálculo que respalde la elección de un condensador determinado. Antes de presentar el cálculo, es necesario definir unos cuantos parámetros nuevos que aparecen cuando se aumenta un filtro a un sistema de rectificación, para lo cual nos valdremos de las formas de onda que se obtienen de una rectificación de media onda y de onda completa con filtro, mismas que se muestran a continuación: Vmáx Vm
V
Vmín
Vmáx Vm
V
Vmín
Voltaje Máximo (Vmáx): Es el mayor voltaje al cual se carga el condensador y que es entregado por la rectificación. Este parámetro se usa de referencia para comprar el condensador . Voltaje Mínimo (Vmín): Es el mínimo voltaje que aparece sobre el condensador y esta en función de capacidad de condensador y el valor de resistencia de carga. Mientras más alto sean estos, el Vmín será más cercano a Vmáx (más continua). Voltaje de Rizo ( V): Es la diferencia entre el voltaje máximo y el mínimo generalmente es el dato que se utiliza para calcular el condensador como se verá mas adelante. Voltaje Medio (Vm): Es el equivalente en continua de la señal de salida. Observa como el voltaje medio se ubica en forma aproximada entre la mitad del voltaje máximo y el voltaje mínimo. Un detalle importante antes de continuar es el hecho de que el voltaje de rizo para la rectificación de onda completa, tiende a ser la mitad (señal más continua) que para la rectificación de media onda, obviamente manteniendo todo lo demás constante (R, C y Vef). 5. Resumen de Formulas: Vp = Vef / 0.707 Vm = (Vmáx + Vmín) / 2 Vm = Vmín + ( V / 2) V = Vm / ( (R*C / t) - (0.5) ) t = 1 / (2*F) (Onda Compl eta) PC = Vm * Im PT = Vef * Is Vinv = (1) Vc = Vmáx (Voltaje del Condensador)
Vmax = (1) Vm = Vmáx – ( V / 2) V = Vmáx * t / (R*C) t = 1 / (f ) (Media Onda) Im = Vm / R Is = Im n = PC / PT Id = (1)
(1) Depende del sistema de rectificación ( (Vp – Vd) ó (Vp – 2*Vd) )
6. Condensadores Electrol ítico s: En los sistemas de rectificación como los estudiados, es común la utilización de condensadores de gran capacitancia (10uf a 10000uf), a fin de que el voltaje de salida sea lo más continuo posible. Los únicos condensadores capaces de ofrecer esa cantidad de capacitancia son de los de tipo electrolítico y de tantalio, estos se muestran en la siguiente figura:
Sin embargo por razones de operación estos dispositivos poseen polaridad, es decir, no pueden ser conectados en cualquier sentido, el no respetar esto causaría que el condensador explote o se destruya internamente, todo dependen del voltaje aplicado y del intervalo de tiempo en que estuvo con polaridad invertida. Es por esto que se debe tener mucho cuidado al trabajar con estos dispositivos. 7. Adaptadores o reguladores de tensión comerciales: Finalmente, con los conocimientos ya adquiridos, acerca de rectificadores y filtros, vamos a analizar el funcionamiento de los reguladores de tensión comerciales, popularmente conocidos como adaptadores. Físicamente estos dispositivos tienen la forma de una caja negra de la cual se desprenden los contactos para el tomacorriente y un cable de donde se obtiene la tensión “continua” . Uno de estos dispositivos se muestra a continuación:
En nuestro medio se puede encontrar dichos dispositivos, acompañados de ciertos controles que los hacen más llamativos, tales como selectores de voltaje y de polaridad. A continuación se muestra el esquema sobre el cual están basados estos elementos: 12V Transformador de Múltiples Tomas 220V
110V
9V
Selector de Voltaje Selector de Polaridad
7.5V 6V 4.5V
0V
3V Rectificador y Filtro 0V
Salida de Tensión
Como se puede apreciar es un esquema sencillo, sin embargo nos demuestra que estos elementos no son capaces de entregar una tensión continua pura si no con cierta variación que se hace más evidente dependiendo de ciertos factores tales como: La carga conectada, que provocará que el voltaje medio sea mayor o menor que el especificado, y de la hora del día en que se utilice, que provocará que el transformador entregue mayor o menor voltaje en cada una de sus tomas. Dispositivos como estos no deberían ser utilizados para alimentar directamente a circuitos analógicos o digitales ya que no son capaces de ofrecer una tensión constante todo el tiempo, es por esto que se hace necesaria la inclusión de elementos estabilizadores que garanticen una tensión continua, tales como diodos zener y estabilizadores integrados que se estudiarán en posteriores clases. SIMULACIONES:
Realice la simulación en Workbench o PSPICE del circuito RMMO con filtro, suponiendo Vef = 10V, R = 1000Ω, C1 = 47uF y C2 = 22uF. La simulación debe disponer del circuito simulado y de las formas de onda de VR y VD tanto con C1 como con C2. Además adicione el calculo del circuito suponiendo Vd = 0.7V para cada condensador. Realice la simulación en Workbench o PSPICE del circuito RMOCPG con filtro, suponiendo Vef = 10V, R = 1000Ω, C1 = 47uF y C2 = 22uF. La simulación debe disponer del circuito simulado y de las formas de onda de VR y VD tanto con C1 como con C2. Además adicione el calculo del circuito suponiendo Vd = 0.7V para cada condensador. • • •
Las simulaciones y cálculos se revisarán el día de las prácticas. Las resistencias son de 1/2W y los condensadores de 50V. Adicionalmente traer un adaptador de varias escalas y 4 resistencia de 220Ω.
ACTIVIDAD EN CLASE: 1. 2.
Se tiene un circuito RMMO con Vef = 7V, Vd = 0,65V, ΔV = 2V y resistencia de Carga de 400Ω. Calcular el resto de valores. Se tiene un circuito RMMO con Vm = 6V, Vd = 0,7V, ΔV = 1V y resistencia de Carga de 250Ω. Calcular el resto de valores.
EJERCICIOS: 1. 2. 3. 4. 5.
Se tiene un circuito RMOCTTC con Vef = 24V, Vd = 0,65V, ΔV = 10V y una Carga que consume 3A. Calcular el resto de valores. Se tiene un circuito RMOCTTC con Vm = 9V, Vd = 0,7V, ΔV = 2V y una Carga de 3W. Calcular el resto de valores. Se tiene un circuito RMOCPG con Vef = 9V, Vd = 0,63V, ΔV = 4V y una Carga que consume 1A. Calcular el resto de valores. Se tiene un circuito RMOCPG con Vm = 5V, Vd = 0,6V, ΔV = 1V y una Carga de 1W. Calcular el resto de valores. Investigue y anote como funciona un filtro inductivo y analice sus ventajas y desventajas.
*Refiérase al Libro: “Curso Práctico de Electrónica”, Harry Mileaf, Tomo 3, Pág 5-16 y 5-19