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lOMoAR cPSD|3741347 lOMoAR cPSD|3741347 1 L Práctica 5 Rectificadores con Diodos James Ángelo H. B., Jose Miguel M. L., Jesús Daniel V. M Subgrupo 4 Laboratorio de Electrónica de Potencia – Programa de Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica de Pereira – septiembre 27 de 2018 Resumen— En esta práctica se simulan circuitos rectificadores de onda monofásicos y trifásicos con diodos genéricos y se evalúa el desempeño de estos en diferentes configuraciones, parámetros como valores eficaz y medio se miden para llevar a cabo esta tarea. Palabras clave— Diodos, circuitos rectificadores. I. INTRODUCCIÓN OS diodos son elementos no lineales que idealmente actúan como circuito abierto ante una polarización ánodo-cátodo con tensión negativa y como corto circuito ante una polarización positiva, en estos estados, se dice que el diodo está en no conducción o en conducción, respectivamente. Esto permite que sean utilizados como dispositivos rectificadores. Un diodo real tiene una caída de tensión cuando está en conducción y una corriente de fuga mientras están en no conducción, además, no pasan de un estado de conducción a no conducción y viceversa instantáneamente, todas estas características producen pérdidas durante su funcionamiento. II. OBJETIVO Familiarizar al estudiante con los circuitos rectificadores tipo puente monofásicos y trifásicos basados en diodos y su comportamiento usando diferentes cargas. III. RESULTADOS Y ANÁLISIS A. Rectificador tipo puente monofásico no controlado. 1. Se implementó el circuito de la Figura 1, la alimentación fue el lado secundario de un transformador de 115V a 24V, el resto de parámetros se encuentran en la Figura 1 Circuito rectificador de onda completa con puente de diodos y carga RL Mediante el osciloscopio se obtuvo la forma de onda para la tensión a través de la carga R-L y la corriente en la carga y en la fuente, debido a que el osciloscopio sólo mide tensiones, para obtener la forma de onda de la corriente en la fuente, se conectó una resistencia de 47Ω a 5W que era la resistencia mas pequeña disponible en el almacén, y para la forma de onda de la corriente en la carga, se obtuvo la forma de onda de la tensión en la resistencia en serie con la inductancia. Figura 1 Circuito rectificador de onda completa con puente de diodos y carga RL Los datos obtenidos se muestran en la Figura 2 y Figura 3. Figura 2 Forma de onda de la tensión y corriente en la carga. Figura 3 Forma de onda de la corriente en la fuente. lOMoAR cPSD|3741347 2 𝑇 Para obtener el valor RMS y medio de cada forma de onda, primero se asumen formas de onda sinusoidales, y luego se obtienen los valores máximos y mínimos de estas, y se aplican las siguientes ecuaciones Tabla 1 Datos RMS medidos y calculados en las simulaciones 𝐹 = √ 1 ( ) 2 Debido a que en la simulación se utilizaron diodos ideales e 𝑅𝑀𝑆 ∙ (𝑓 𝑡 ) 𝑇 ∙ 𝑑 inductancias sin resistencia interna, los resultados teóricos y 1 𝑡0+𝑇 𝐹𝑀𝑒𝑑𝑖𝑜 = ∙ ∫ 𝑓(𝑡) ∙ 𝑑𝑡 𝑡0 Para una forma de onda sinusoidal rectificada de la forma 𝑓(𝑡) = |A ∙ sin(2𝜋𝑡)| 𝐴 prácticos son distintos. 2. Se cambió la resistencia de 12Ω por una resistencia de 50Ω dejando la misma inductancia y se realizó el mismo procedimiento descrito anteriormente. 𝐹𝑅𝑀𝑆 = √2 2 𝐹𝑀𝑒𝑑𝑖𝑜 = 𝐴 ∙ 𝜋 Para una forma de onda sinusoidal de la forma 𝑓(𝑡) = 𝐴 ∙ sin(2𝜋𝑡) 𝐴 𝐹𝑅𝑀𝑆 = √2 𝐹𝑀𝑒𝑑𝑖𝑜 = 0 El osciloscopio disponible en el laboratorio tiene integrado este cálculo, y se obtuvieron los siguientes resultados. VRL-RMS=10V VRL-Medio=8.8V VR-RMS=12.4V VR-Medio=10.8V Para encontrar la corriente promedio y RMS, como se sabe que en una resistencia Figura 4 Tensión y corriente en la carga entonces 𝑉 = 𝐼 ∙ 𝑅 1 𝑇 2 1 𝑇 𝑣(𝑡) 2 𝐼𝑅𝑀𝑆 = √ ∫ (𝑖(𝑡)) 𝑑𝑡 = √ ∫ ( ) 𝑑𝑡 𝑇 0 1 𝑇 1 𝑇 0 𝑅 2 1 1 𝑇 2 𝐼𝑅𝑀𝑆 = √ ∫ 𝑇 0 𝑅 2 (𝑣(𝑡)) 𝑑𝑡 = √ 𝑅 𝑇 ∫ (𝑣(𝑡)) 𝑑𝑡 0 Figura 5 Corriente en la fuente 1 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 𝑅 ∙ 𝑉𝑅𝑀𝑆 Similarmente se llega a que Tabla 2 1 𝐼𝑀𝑒𝑑𝑖𝑜 = 𝑅 ∙ 𝑉𝑀𝑒𝑑𝑖𝑜 Sabiendo que R=15Ω, entonces IR-RMS=827mA IR-Medio=720mA Para la corriente en la fuente se sigue el mismo procedimiento y se obtiene En este caso, al aumentar la resistencia de la carga, la regulación del rectificador mejora bastante, las pérdidas en los diodos todavía inducen diferencias entre los valores calculados y los teóricos. 3. Se cambió la inductancia de 10mH por una inductancia de IS-RMS=289.4mA IS-Medio=0A Con estos datos se llena la siguiente tabla 100mH dejando la resistencia de 50Ω y se realizó el procedimiento descrito anteriormente arrojando los siguientes resultados. Vo (calc) Vo (med) Io (calc) Io (med) Is (calc) Is (med) 9,87V 10V 658mA 827mA 658mA 289.4mA Vo (calc) Vo (med) Io (calc) Io (med) Is (calc) Is (med) 19.6V 18.4V 186mA 112mA 186mA 130mA lOMoAR cPSD|3741347 3 Figura 6 Corriente y tensión en la carga con la corriente (Curva amarilla) invertida Tabla 3 Vo (calc) Vo (med) Io (calc) Io (med) Is (calc) Is (med) 19.6V 9.6V 150mA 96mA 150mA 100mA En este caso, la regulación de corriente mejora, debido a que la inductancia se opone a cambios bruscos de corriente, y entre más alta sea el valor de esta, más oposición habrá. 4. Se implementó el circuito de la Figura 7 y se repitió el procedimiento realizado hasta ahora obteniendo los siguientes resultados. Tabla 4 Vo (calc) Vo (med) Io (calc) Io (med) Is (calc) Is (med) 9,87V 9.6V 658mA 700mA 658mA 856mA En este caso se observó una mejoría en la corriente medida debido al diodo volante pues cuando los diodos del puente de diodos estén en no conducción, debido a la energía almacenada en la inductancia, el diodo volante entra en conducción y permite la libre circulación de esa corriente, lo que a su vez impide un corte abrupto de esta. Figura 7 Circuito rectificador monofásico tipo puente con carga RL y diodo volante 5. Se montó el circuito de la Figura 8, la resistencia R y R1 son para obtener la forma de onda de la corriente de la fuente y de la carga RC respectivamente. Luego se obtuvieron los valores RMS y medio de cada variable obtenida mediante el mismo procedimiento que se ha llevado a cabo hasta ahora. Figura 8 Circuito rectificador monofásico tipo puente con diodos y carga R-C. VRC-RMS=3.04V IRC-RMS=196mA VRC-Medio=2,72V IRC-Medio=160mA IS-RMS=9.6V IS-Medio=0V En este caso se observa que la capacitancia reduce el rizado de la tensión en la carga debido a que es un dispositivo que se resiste a cambios bruscos de tensión o de lo contrario la corriente a través de él sería infinita. 6. Se cambió la capacitancia de 10μF por una capacitancia de 100μF. Y se midieron los mismos parámetros. VRC-RMS=3.51V IRC-RMS=201mA VRC-Medio=3.42V IRC-Medio=160mA IS-RMS=9.6V IS-Medio=0V Se observa que al aumentar el valor de la capacitancia, el atributo de regulación de tensión en la carga aumenta debido a que a mayor capacitancia, mayor energía almacenada, y a mayor energía almacenada, mayor resistencia al cambio en la tensión. 7. Se implementó el circuito de la Figura 9, en donde las tensiones VA, VB y VC fueron obtenidas de tres transformadores monofásicos que se conectaron en Y-Y, primero se revisaron las marcas de polaridad para realizar la conexión exitosa. Figura 9 Circuito regulador trifásico con carga RL lOMoAR cPSD|3741347 4 Luego se obtuvieron las formas de onda para la tensión a través de la carga R-L, la corriente en la cargay en la fuente de alimentación. Figura 10 Corriente y tensión en la carga. VRMS=5.20V VMedio=0V IRMS=110.6mA IMedio=0A Tabla 5 Vo [V] Io [mA] Is [mA] f.p. Calc Med Calc Med Calc Med Calc Med 17.95 18,1 361.7 380 974.1 856 0.98 0.80 THD para las corrientes de la carga: 15.24 THD para las corrientes de la fuente: 0.3 THD para las tensiones de la carga: 678.4 THD para la tensión de la fase A de la fuente: 1.1 El THD se puede interpretar como el grado de parecido de una señal con una señal sinusoidal pura, entre más cercano sea a 1, mas parecido a una señal sinusoidal es, por esto, el THD para la tensión en la carga es tan alto, porque como está rectificado, su parecido con una señal sinusoidal pura no es mucho. 8. Se conectó un diodo en paralelo con la carga RL y se repitió el procedimiento del numeral 7 con los siguientes resultados. Tabla 6 Vo [V] Io [mA] Is [mA] f.p Calc Med Calc Med Calc Med Calc Med 17.95 18.8 382.1 374.6 974.1 943 0.99 0.89 THD para las corrientes de la carga: 15.24 THD para las corrientes de la fuente: 0.3 THD para las tensiones de la carga: 678.4 THD para la tensión de la fase A de la fuente: 1.03 IV. CONCLUSIONES • A partir de los datos y gráficas mostrados a lo largo de este informe, los diodos conectados como fuente pueden ser utilizados para rectificar la corriente y tensión en una carga. • Tal como se puede observar en la Figura 3, los rectificadores modifican la forma de onda de la tensión de la fuente, esto se ve en las zonas donde esta tensión se hace cero. • Al introducir inductancias en la carga, se regula la corriente, reduciendo su rizado, esto se puede ver comparando las figuras Figura 2 y la Figura 4. • La introducción de un capacitor en paralelo con la carga mejora la regulación de tensión, tal como se muestra en el numeral 6 del procedimiento y resultados. • Un rectificador trifásico entrega una señal monofásica a una carga, tal como se muestra en la Figura 10. • Un rectificador trifásico introduce armónicos a la red tal como se puede ver en el valor de la distorsión armónica total (THD) en los numerales 7 y 8. • La introducción de un diodo volante en paralelo con una carga mejora el THD tal como se ve en el numeral 8.
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