ELECTRÓNICA DE POTENCIA GUÍA LABORATORIO N°1 Circuitos Rectificadores 2024-0 Circuitos Rectificadores 1. Objetivos • • Reconoce, comprueba y analiza el funcionamiento de un rectificador de media onda y de onda completa. Determinación de la eficiencia y la taza de rizado para un rectificador sin filtro y con filtro. 2. Introducción La potencia para circuitos electrónicos, computadoras, sensores, etc. es suministrada usando fuentes de voltaje DC. Debido a que la fuente de potencia industrial es en AC, el voltaje AC necesita ser convertida en DC. Esta conversión es hecha por elementos no lineales tales como diodos. En la Figura a, es mostrado un circuito rectificador a base de un diodo, la curva característica Voltaje-corriente del Diodo es mostrado en la Figura b, y la Figura c muestra el diagrama en el tiempo del rectificador de voltaje. (a) (b) Figura 1 (c) Se llaman rectificadores a los circuitos que convierten una señal de corriente alterna en una señal de corriente continua. Los rectificadores más comunes son enumerados a continuación. 2.1. Circuito Rectificador de Media Onda. Esta aplicación se realiza cuando se necesita obtener una tensión pulsante a partir de una señal alterna. La señal en la salida será la parte positiva o la negativa de la onda AC, bloqueando así solo la mitad de la onda AC. Para lograr esta rectificación, el rectificador de media onda requiere solo un diodo, como se muestra en la Figura 2. Las formas de onda de entrada y salida son mostradas en Figura 3. Figura 2 Figura 3 Los cálculos a tener en cuenta son: a) b) El voltaje eficaz de salida: π ππππ = πππ₯ 2 Cálculo de la tensión media en la carga (πππ ): 1 π πππ = π ∫0 ππππ₯ sin πππ = En la figura 3 tendriamos: c) ππππ₯ π πππ = [Volts] 220√2 π = 99π El periodo: ππππππ = ππππ → ππππππ = ππππ 2.2. Circuito Rectificador de Media Onda con Filtro. En la Figura 4 se muestra se muestra el circuito rectificador de media onda con filtro en la salida y en la Figura 5 se muestra las formas de onda de la entrada y salida del circuito. Figura 4 Figura 5 La ecuación para calcular el voltaje pico a pico (rizado) es: πππ = ππππ₯ π πΆπ donde π es la frecuencia de la onda de entrada y el periodo π = 1 π debe ser mucho menor a la constante de tiempo de descarga del circuito (π βͺ π πΆ ). La tensión media en la carga (πππ ) se calcula con la siguiente formula: πππ = ππππ₯ (1 − 1 ) 2π πΆπ 2.3. Circuito Rectificador Monofásico de Onda Completa con transformador con derivacion central Un rectificador con derivación central es un tipo de rectificador de onda completa que utiliza dos diodos conectados al secundario de un transformador con derivación central, como se muestra en la figura. El voltaje de entrada se acopla a través del transformador al secundario con derivación central. La mitad del voltaje secundario total aparece entre la derivación central y cada extremo del devanado secundario, como se muestra en la figura 6 Figura 6 Durante los semiciclos positivos, D1 está polarizado en directa, fluye una corriente I por la resistencia de carga. El diodo D2 está polarizado en inversa y no conduce ninguna corriente. Figura 7 Cuando conduce el diodo D2 en el segundo semiciclo, al estar polarizado en directa, fluye una corriente I por la carga y el diodo D1 está polarizado inversamente, por lo que no conduce ninguna corriente. Como la corriente circula en el mismo sentido que en el caso del diodo D1, esta siempre es positiva en la resistencia. 2.4. Circuito Rectificador Monofásico de Onda Completa (tipo puente) Un rectificador de onda completa convierte la forma de onda en la entrada en una onda con polaridad constante, ya sea negativa o positiva. De esta forma genera un voltaje medio mayor al rectificador de media onda. El circuito de la Figura muestra un puente de diodos usado como un rectificador monofásico de onda completa. En la Figura 9 son mostrados el voltaje de entrada y salida de este rectificador. Figura 8 La ecuación para calcular la tensión media en la carga está dada por: πππ = El voltaje eficaz es: 2ππππ₯ π ππππ = ππππ₯ √2 La corriente media en la carga: πΌππ = πππ π La corriente media por diodo está dada por: 1 πΌπππππ = πΌππ 2 Figura 9 2.5.Circuito Rectificador de onda completa con filtro capacitivo Si al rectificador de onda completa se le conectada un filtro en la salida, como se muestra en la Figura , la tensión en la salida es suavizada y de esta forma el voltaje de rizado disminuye. Las formas de onda se muestran en la Figura . Figura 10 Figura 11 El periodo de la carga (ππ ) es la mitad del periodo de la red (ππ ), es decir: 1 ππ = 2 ππ El tiempo de conducción del diodo, en este caso es menor, éste conduce solo cuando el capacitor conduce. La tensión media en la carga, de acuerdo a la ecuación fundamental está dada por: πππ = ππππ₯ (1 − 1 ) 4π πΆππ Donde ππ es la frecuencia en la entrada. 2.6. Parámetros adicionales La eficiencia del rectificador es: π= π0 π0 πΌ0 = ππ ππ πΌπ donde ππ , πΌπ , ππ son voltaje, corriente y potencia de entrada del rectificador respectivamente. π0 , πΌ0 , π0 son voltaje, corriente y potencia de salida del rectificador respectivamente. El factor de potencia es: ππΉ = π0 = cos π ππ πΌπ La amplitud del rizado es: ππ = ππππ₯ − πππππ El voltaje pico a pico es: πππ = ππππ₯ − ππππ donde ππππ₯ , ππππ son los voltajes máximos y mínimos del rectificador. La taza de rizado es: πππ πΎπ = 2πππππ El valor efectivo (rms) de la componente ca del voltaje de salida es: πππ = √ππππ 2 − πππ 2 El factor de forma (FF), es una medida de la forma del voltaje de salida: FF = ππππ πππ El factor de rizo (RF), es una medida del contenido alterno residual: RF = πππ πππ o RF = √πΉπΉ 2 − 1 El factor de utilización del transformador (TUF) se define como: TUF = πππ ππ πΌπ Donde ππ π πΌπ son la corriente y el voltaje rms del secundario del transformador 3. Preparación Todos los circuitos presentados en la sección de experimentos de laboratorio deberán ser simulados usando PSIM 4. Equipos, materiales y otros No 1 Descripción Software de simulación PSIM Cantidad 1 5. Circuitos Rectificadores 5.1. Rectificador de media onda. Utilizar el software PSIM y armar el siguiente circuito (Considere una fuente de voltaje sinodal de 9 Vpp con frecuencia de 60Hz): Figura12. Rectificador de media onda. Graficar las señales de entrada y salida mostradas en el osciloscopio (sin conectar C1): Luego de realizar la simulación halle los valores usando las fórmulas. (Tomar en cuenta que este cuadro tendrá mas sentido cuando se realice la implementación de los circuitos en el taller) De ambas experiencias, realizar la siguiente comparación: Simulación π½ππππ de entrada π½ππππΆ de salida π½π«πͺπΆ Calculado Error% π°πππ Potencia π·πππ ππ π π·π«πͺ πΌ FF Factor de Forma TUF Comentar los resultados: En el circuito rectificador de media onda cerrar S1 para conectar el capacitor de 120 microfaradios a la salida (paralelo a la resistencia), y graficar las señales del osciloscopio, centrar las zonas rectificada y no rectificada. Realizar la siguiente comparación de sus mediciones: Con Capacitor π½πππ de entrada π½πππ de salida π°πππ Potencia π·πππ π½π π Comentar los resultados: Sin Capacitor 5.2. Rectificador de onda completa con derivación central Utilizar el software PSIM para armar el siguiente circuito. (Considere una fuente de voltaje senoidal de 10 Vrms y con frecuencia de 60Hz): Figura 13. Rectificador de onda completa con 2 diodos Graficar las señales de entrada y salida mostradas en el osciloscopio: Realizar la siguiente comparación: Simulación π½ππππ de entrada π½ππππΆ de salida π½π«πͺπΆ π°πππ Potencia π·πππ ππ π π·π«πͺ πΌ FF Factor de Forma TUF Comentar los resultados: Calculada Error% En el circuito rectificador de onda completa colocar un capacitor de 100 microfaradios a la salida (paralelo a la resistencia), y graficar las señales del osciloscopio, centrar las zonas rectificada y no rectificada. Realizar la siguiente comparación: Valor eficaz π½πππ de entrada π½πππ de salida π°πππ Potencia π½π π Con Capacitor Sin Capacitor Comentar los resultados: 5.3. Rectificador de onda completa con puente de diodos Utilizar el software PSIM para armar el siguiente circuito. (Considere una fuente de voltaje senoidal de 90Vp y con frecuencia de 60Hz): Figura 74. Rectificador de onda completa com puente de diodos Graficar las señales de entrada y salida mostradas en el osciloscopio: Realizar la siguiente comparación: Simulación π½ππππ de entrada π½ππππΆ de salida π½π«πͺπΆ π°πππ Potencia π·πππ ππ π π·π«πͺ πΌ FF Factor de Forma TUF Comentar los resultados: Calculada Error% En el circuito rectificador de onda completa colocar un capacitor de 120 microfaradios a la salida (paralelo a la resistencia), y graficar las señales del osciloscopio, centrar las zonas rectificada y no rectificada. Realizar la siguiente comparación: Valor eficaz π½πππ de entrada π½πππ de salida π°πππ Potencia π½π π Con Capacitor Sin Capacitor Comentar los resultados: 6. Conclusiones Finales Referencias Bibliográficas • • • Rashid, Muhammad H. (2006). "Electrónica de Potencia – Circuitos Dispositivos y Aplicaciones". México: Editorial McGraw-Hill, 2da. Edición. Joseph A. Edminister (1985). "Circuitos Eléctricos" Serie Schaum, México: Editorial McGraw-Hill Ned Mohan (2009). "Electrónica de potencia". México: Editorial McGraw-Hill, 3ra. Edición.
