LABORATORIO N° 1 RECTIFICADOR MONOFASICO DE ONDA COMPLETA
Rectificador Monofásico de Onda Completa 1. Objetivo.
Estudiar el funcionamiento de los rectificadores de Onda Completa monofásico de mediana potencia. Relación entre los voltajes y corrientes de entrada con los voltajes y corrientes de salida.
2. Equipos y Materiales.
Módulo DL 2626 – Transformador de alimentación
Módulo DL2603 – Grupo de diodos
Módulo DL2635 – Carga Universal
Un Osciloscopio
Un multímetro digital
Dos Borneras de interconexión
Conectores Varios
3. Fundamentos teóricos.Un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente en corriente continua. Esto continua. Esto se realiza utilizando diodos utilizando diodos rectificadores, (semiconductores de estado sólido).
Rectificador de onda completa tipo puente doble de Graetz Se trata de un rectificador de onda completa en el que, a diferencia de la práctica anterior, sólo es necesario utilizar transformador si la tensión de salida debe tener un valor distinto de la tensión de entrada.
En la Figura está representado representado el circuito de un rectificador de este tipo.
Durante el semiciclo en que el punto superior del secundario del transformador es positivo con respecto al inferior de dicho secundario, la corriente circula a través del camino siguiente:
Punto superior del secundario --> Diodo D-1 -> (+)Resistencia de carga R(-) --> Diodo D-3 --> punto inferior del secundario.
En el semiciclo siguiente, cuando el punto superior del secundario secundario es negativo y el inferior positivo lo hará por:
Punto inferior del secundario --> Diodo D-2 -> (+) Resistencia de carga R (-) --> Diodo D4 --> punto superior del secundario.
En este caso, vemos como circula corriente por la carga, en el mismo sentido, en los dos semiciclos, con lo que se aprovechan ambos y se obtiene una corriente rectificada más uniforme que en el caso del rectificador de media onda, donde durante un semiciclo se interrumpe la circulación de corriente por la carga. En este tipo de rectificadores de onda completa, la forma de onda de la corriente rectificada de salida, será la de una corriente continua pulsatoria, pero con una frecuencia de pulso doble de la corriente alterna de alimentación.
Durante el semiciclo positivo de la tensión de la red, los diodos D 1 y D3 conducen, esto da lugar a un semiciclo positivo en la resistencia de carga. Los diodos D 2 y D4 conducen durante el semiciclo negativo, lo que produce otro semiciclo positivo en la resistencia resistencia de carga.El carga.El resultado es es una señal señal de onda completa completa en la resistencia de carga. Hemos obtenido la misma onda de salida V L que en el caso anterior. La diferencia más importante es que la tensión inversa que tienen que soportar los diodos es la mitad de la que tienen que soportar los diodos en un rectificador de onda completa con 2 diodos, con lo que se reduce el coste del circuitoEl rectificador de onda completa utiliza ambas mitades de la onda senoide de entrada; para obtener una salida unipolar, invierte los semiciclos negativos de la onda senoidal. En esta aplicación se utiliza en el devanado central del transformador con la finalidad de obtener dos voltajes VS iguales, en paralelo con las dos mitades del del devanado secundario secundario con las polaridades indicadas. Cuando el voltaje de línea de entrada, que alimenta al devanado primario, es positivo, ambas señales marcadas como VS serán positivas. En este caso D1 conduce y D2 estará polarizado inversamente. inversamente. La corriente que que pasa por D1circulara D1circulara por la carga y regresara a la derivación central del secundario. El circuito se comporta entonces como rectificador de media onda, y la salida durante los semiciclos positivos será idéntica a la producida por el rectificador de media onda. Ahora, durante el el semiciclo negativo del del voltaje de de ca de la línea, línea, los voltajes voltajes marcados como VS serán negativos. Entonces D1 estará en corte y D2 conduce. La corriente conducida por D2 circulara por la carga y regresa a la derivación central. Se deduce deduce que durante los semiciclos negativos también el circuito se comporta como rectificador de media onda, excepto que ahora el diodo D2 es el que conduce. Lo más importante es que la corriente que circula por la carga siempre pasa por la misma dirección y el voltaje vo será unipolar. La onda de salida se obtiene suponiendo que un diodo conductor tiene una caída constante de voltaje VDO, es decir, se desprecia el efecto de la carga.
3.1.-Hallar las formulas teóricas que relacionan los voltajes de salida y corriente de salida en función del voltaje de entrada entrad a y la corriente de entrada. Valor medio, valor máximo, V dc o valor promedio promedio de la rectificación rectificación de onda completa.
= ∫ () → = =
Además:
Valor eficaz o valor RMS o valor AC de la rectificación de la onda completa.
= ∫ () → = √ = = ( ) = ( ) = Además:
En los diodos:
Voltaje inverso de cada diodo
La corriente promedio promedio de cada diodo
La corriente eficaz eficaz de cada diodo diodo
3.2.-Hacer el cálculo teórico del valor del voltaje y la corriente promedio de salida en función de Voltaje y de la corriente eficaz de entrada al rectificador. EXPL ICAC IÓN IÓN SOB RE LA TENSIÓN TENSIÓN DE LINEA
En casa fase tenemos 45 V y si queremos medir la tensión de línea tendremos que realizar una suma vectorial. Teniendo en cuenta que cada fase esta distanciado 120°
= 4545√ √ 3 → = 7777..9424233 77. 9 423 = 100Ω → = 100 →779.423 2 × × 2 2×77. 9 423× 2 √ √ = = = 7070..1727277 = = 70.1001727 =701.727
Por lo tanto:
4. PROCEDIMIENTO 4.1
Realizamos el montaje del circuito N°1
4.2 Verificamos el conexionado antes de energizar el trasformador de alimentación Luego de que este todo correcto procedemos a las mediciones.
4.3 MEDICIONES Usando el multímetro procedemos a medir
La corriente eficaz entre entre los puntos puntos 1 y 2 ( A 12 )
El voltaje eficaz entre los puntos 2 y 8 ( V 28 28 )
La corriente promedio entre los puntos 3y5 (A 35 ); entre los puntos puntos 4y5 (A 45 ) ; y entre los puntos 5,6 ( A 56 ). El voltaje promedio entre los puntos 6 y 7 ( V 67 ) Ahora procedemos a llenar la siguiente tabla:
Medición
A12
V 28 28
A35
A45
A56
V 67 67
Multímetro
0.76 A
79.2 V
0.343 A
0.343 A
0.685 A
68.5 V
Usando el osciloscopio procedemos a medir:
El voltaje, conectando la tierra del osciloscopio en el punto 8 y la punta en el punto 2 ,dibujar la forma de onda que se observa con sus valores
=77.89
Conectando la tierra del osciloscopio en el punto 7 y la punta del canal 1 en el punto 2 y la punta del canal 2 en el punto 6 .Dibujar las formas de onda que se observa.
() =42.4 () =33.8
Conectando la tierra del osciloscopio en el punto 7 y la punta del canal 1 en el punto 8 y la punta del canal 2 en el punto 6.Dibujar las formas de onda que se observa. Nota cada vez que se mida corriente se tiene que sacar el instrumento y puentear dichos dichos puntos
() =42.4 () =33.8 SIMULACIONES Procedernos a realizar ayudados del del software Multisim de Workbeach las simulaciones correspondientes de cada circuito.
La corriente eficaz entre los puntos puntos 1 y 2 ( A12 )
El voltaje eficaz entre los puntos 2 y 8 ( V 28 ) 28 )
La corriente promedio entre los puntos 3y5 (A 35 ); entre los puntos 4y5 (A45 ); y entre los puntos 5,6 (A56).
El voltaje promedio entre los puntos 6 y 7 ( V 67 67 )
El voltaje, conectando la tierra del osciloscopio en el punto 8 y la punta en el punto 2, dibujar la forma de onda que se observa con sus valores
Conectando la tierra del osciloscopio en el punto 7 y la punta del canal 1 en el punto 2 y la punta del canal 2 en el punto 6 .Dibujar las formas de onda que se observa.
Conectando la tierra del osciloscopio en el punto 7 y la punta del canal 1 en el punto 8 y la punta del canal 2 en el punto 6.Dibujar las formas de onda que se observa.
5.1.- Hallar el cálculo
teórico de los siguientes parámetros
Voltaje y corriente eficaz de salida q entrega el transformador:
= 4545√ √ 3 → = 7777..9424233 = 100Ω → = 77.1009423 →779.423
Voltaje promedio de salida:
=45×√ =45× √ 3 × √ 2 = 110.23 = 2 = 2×110. 23 = 7070..17
Corriente promedio de salida:
= = 70.10017 =0.7017
Corriente promedio por cada diodo:
= 2 = 0.70172 =0.3509
Corriente eficaz por cada diodo:
= 2 = 110.2 10023 = 0.5555
Voltaje inversa por cada diodo:
= =.
Cuadro comparativo comparativo del cálculo teórico con los resultados experimentales
Valor experimental experimental MEDICIONES
Valor teórico
Multímetro
Osciloscopio
salida
70.17 V
68.544 V
----------
salida
0.7017 A
0.685 A
----------
cada diodo
0.3509 A
0.343 A
0.342 A
cada diodo
0.55 A
0.543 A
0.541 A
79.2 A
77.89 A
transformador
77.9423
A
Características mínimas que recomendaría para este rectificador : Voltaje inverso = 110,24 V Corriente promedio = 701.7 mA
>110.24 7017 > 0.7017
Se recomienda diodos de 1 Amperio de corriente promedio y 250 voltios de voltaje inverso.
Ahora hallaremos hallaremos el porcentaje porcentaje de error error de los datos anteriores: anteriores:
× %=
1.
salida
%=..−.×100=2. 32% 6 85 %=|0.70170. |×100=2. 3 8% 0.7017 2.
3.
salida
cada diodo
0. 3 5090. 3 43 %=| 0.3509 |×100=2. 25% 4.
cada diodo
transformador
0. 5 50. 5 43 %=| 0.55 |×100=1. 27% 5.
77. 9 42379. 2 %=| 77.9423 |×100=1. 60%
5.4.- OBSERVACIONES
En la práctica se pudo observar cómo se comporta la tensión alterna cuando se conecta un puente diodo (puente Graetz), ya que el diodo por ser semiconductor modifica la onda de tensión y lo convierte a pulsante.
Tener en cuenta la tensión inversa y la capacidad de corriente de los diodos antes de armar el circuito.
Para obtener datos más exactos se necesita calibrar cali brar los instrumentos de medición
Para armar el circuito, se debe colocar bien todas las conexiones tal como se nos muestra en la guía de laboratorio para evitar fallos.
Para el uso del multímetro debemos de seleccionar correctamente los rangos de medición para evitar cualquier fallo en los cálculos.
Para el uso del osciloscopio debemos de tener en cuenta su correcta calibración de ambos canales y así poder tener los valores exactos en la medición, también también poder interpretar la forma de onda o la señal que nos da.
Antes de realizar realizar las mediciones mediciones con el multímetro, multímetro, debemos de verificar primero con el osciloscopio la forma de onda rectificada.
5.5.- CONCLUSIONES
Se concluye lo estudiado en clase el comportamient c omportamiento o de un circuito rectificador de onda completa.
El multímetro en lectura AC nos da el voltaje o corriente eficaz y en DC nos da el voltaje o corriente promedio.
Los datos obtenidos con el osciloscopio se asemejan a los teóricos pero siempre hay una variación que es el porcentaje de error.
Se pudo entender mejor la forma de onda rectificada, incrementando nuestros conocimientos respecto a los rectificadores.
El osciloscopio nos da una lectura Real.
En los rectificadores de onda completa la frecuencia de salida es el doble de la frecuencia de entrada. entrada.
FUENTE CONTINUA REGULADA CON UN PUENTE PUENT E MONOFASICO SEMICONTROLADO A TIRISTORES (SCR) Fundamento teorico: El SCR (Silicon Controlled Rectifier Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio), es un dispositivo semiconductor biestable formado por tres uniones pn con la disposición pnpn. Está formado por tres terminales, llamados Ánodo, Cátodo y Puerta. La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Es un elemento unidireccional (sentido de la corriente es único), conmutador casi ideal, rectificador y amplificador a la vez.
Estructura: Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J1 y J3 tienen polarización directa o positiva. La unión J2 tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo o en estado desactivado llamándose a la corriente fuga corriente de estado inactivo ID. Si el voltaje ánodo a
cátodo VAK se incrementa a un valor lo suficientemente grande la unión J2 polarizada inversamente entrará en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa VBO. Dado que las uniones J1 y J3 ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones que provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado.La caída de voltaje se deberá a la caída óhmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo común 1v. En el estado activo, la corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través de la unión; de lo contrario, al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo, el dispositivo regresará a la condición de bloqueo. La corriente de enganche, IL, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta. Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión J2 no existe una capa de agotamiento de vida a movimientos libres de portadores. Sin embargo si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento IH, se genera una región de agotamiento alrededor de la unión J2 debido al número reducido de portadores; el tiristor estará entonces en estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche, IL. Esto significa que IL>IH. La corriente de mantenimiento IH es la corriente del ánodo mínima para mantener el tiristor en estado de régimen permanente. La corriente de mantenimiento es menor que la corriente de enganche. Cuando el voltaje del cátodo espositivo con respecto al del ánodo, la unión J2 tiene polarización directa, pero las unioneJ1 y J3 tienen polarización inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El
tiristor estará en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa, conocida como corriente de fuga inversa IR, fluirá a través del dispositivo. Curva característica y funcionamiento El tiristor es un dispositivo de estado sólido que su modo de operación emula a un relé. En estado de conducción tiene una impedancia muy baja que permite circular grandes de niveles de corriente con una tensión ánodo-cátodo del orden de 1V. En estado de corte, la corriente es prácticamente nula y se comporta como un circuito abierto. A continuación se describen las diferentes maneras de activar o disparar y de bloqueo de un tiristor. Existen cuatro maneras de poner a un tiristor en estado de conducción: El método más común para disparar un tiristor es la aplicación de una corriente en su puerta. Los niveles de tensión y corriente de disparo en la puerta deben tener un rango de valores comprendidos dentro de una zona de disparo de seguridad. Si se sobrepasa ese límite puede no dispararse el tiristor o puede deteriorarse el dispositivo; por ejemplo, para el 2N5060 la máxima potencia eficaz que puede soportar la puerta es PG(av)=0,01 W. Gráficamente, en la figura 12.11 se muestra la forma típicade esa zona de seguridad de disparo del SCR TF521S de Sanken Electric; obsérvese la su elevada dependencia con la temperatura.
Este tiristor soporta corrientes de hasta IT(rms) = 5A y la corriente máxima de disparo es IGT(max) es I=15mA a 25ºC para una VGT(max) V =2.5 V.
Otro ejemplo es el C701 de SPCO capaz de soportar 1300A con una corriente IGT=500mA. Además, el disparo debe tener una duración dependiente del tiristor con valores típicos de 1 useg para que resulte eficaz. El tiempo de conexión o de activación es el tiempo que tarda en conducir el tiristor desde que se ha producido el disparo. Los valores típicos de tiristores comerciales están alrededor de 1 a 3 useg, aunque para aplicaciones especiales como son los moduladores de impulsos de radar se fabrican tiristores con valores por debajo de 100nseg. Caracteristicas generales: • Interruptor casi ideal. • Soporta tensiones altas. • Amplificado r eficaz. • Es capaz de controlar grandes potencias. • Fácil controlabilidad. • Relativa rapidez • Características en función de situaciones pasadas (memoria).
Area de disparo seguro En esta área se obtienen las condiciones de disparo del SCR. Las tensiones y corrientes admisibles para el disparo se encuentran en el interior de la zona formada por las curvas:•
Curva A y B: límite superior e inferior de la tensión
puerta-cátodo en función de la corriente positiva de puerta, para una corriente nula de ánodo. •
Curva C: tensión directa de pico admisible VGF.
•
Curva D: hipérbola de la potencia media máxima PGAV que no debemos
sobrepasar.
El diodo puerta (G) - cátodo (K) difiere de un diodo de rectificación en los siguientes puntos: * Una caída de tensión en sentido directo más elevada. * Mayor dispersión para un mismo tipo de tiristor. Aplicaciones del SCR Las aplicaciones de los tiristores se extiende desde la rectificación de corrientes alternas, en lugar de los diodos convencionales hasta la realización de determinadas conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos, pasando por los onduladores o inversores que transforman la corriente continua en alterna. La principal ventaja que presentan frente a los diodos cuando se les utiliza como rectificadores es que su entrada en conducción estará controlada por la señal de puerta. De esta forma se podrá variar la tensión continua de salida si se hace variar el momento del disparo ya que se obtendrán diferentes ángulos de conducción del ciclo de la tensión o corriente alterna de entrada. Además el tiristor se bloqueará automáticamente al cambiar la alternancia de positiva a negativa ya que en este momento empezará a recibir tensión inversa. Por lo anteriormente señalado el SCR tiene una gran variedad de aplicaciones, entre ellas están las siguientes:· Controles de relevador. · Circuitos de retardo de tiempo. · Fuentes de alimentación reguladas. · Interruptores estáticos.
· Controles de motores. · Recortadores. · Inversores. · Ciclo conversores. · Cargadores de baterías. · Circuitos de protección. · Controles de calefacción. · Controles de fase.
LABORATORIO Nº 3 Circuito a Implementar Luego de implementar el circuito pasaremos a las mediones para ello se muestran las siguientes tablas: Mediciones | A35 | A45 | A56 | Amperimetro | 0.0029 mA | 0.0027 mA | 0.0030 mA | Voltaje eficaz entre V12: 95.6 Vrms Voltaje promedio entre V67: 1.33 V
Mediciones | V12 | V67 | V62 | A35 | A45 | α1 | α2 |
Multimetro | 71 VDC | 30 VDC | 180 VDC | 0.029 A | 0.027 A | 30º | 0º | Multimetro | 68 VDC | 70 VDC | 230 VDC | 0.029 A | 0.027 A | 30º | 0º | Medir con el osciloscopio y dibujar la forma de onda a.- Conectando el terminal tierra en 2 y la punta del osciloscopio en el punto 1
b.- Conectando el terminal tierra en 7 y la punta del osciloscopio en el punto 1 c.- Conectando el terminal tierra en 7 y la punta del osciloscopio en el punto 2
d.- Conectando el terminal tierra en 7 y la punta del osciloscopio en el punto 6
e.- Medir el angulo de disparo (α1) y el angulo de conducción (α2) de cada SCR para el caso V67=30V y para V67=70V.
Angulo de disparo π/3
Angulo de disparo π/2
Hallar losvalores teoricos: a.- Voltaje promedio en V67: V67= 1.15V b.- Corriente promedio en I56: I56= 0.0007 + 0.0016= 0.0023 A c.- Corriente promedio en I35 e I45: I35= 0.0007 I45= 0.0016 d.- Angulo de conducción de cada SCR: α1=10º α2=10º
e.- Realizar la comparación del calculo teorico con los resultados experimentales:
Los resultados son casi parecidos, con un error casi del 10%, lo cual son tolerables. f.- Los SCR de que características minimas (I promedio, Irms, voltaje inverso) debe ser para este rectificador controlado: Las características minimas deberían ser como el SCR TO-208AA (TO-48) el cual tiene las siguientes características Conclusiones: Con el desarrollo de esta practica pudimos comprobar y obtener los ángulos de retardo máximo y mínimo de un tiristor, ya que el análisis para obtener dichos ángulos se hacen por medio de análisis en condiciones ideales, por eso es que los resultados que nosotros obtuvimos al desarrollar esta practica no coincidían con los resultados deseados. El circuito de disparo por cruce de coseno permite linealizar la relación del voltaje promedio de salida e un semiconvertidor accionado por este circuito y una señal de control de voltaje. La función de transferencia del voltaje de directa con respecto al voltaje de control tiene un factor de correlación más cercano a la unidad que el circuito de disparo lineal, por lo que es más recomendable su uso cuando se usarán sus señales para proporcionar los pulsos de disparo de un convertidor semicontrolado.