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Práctica N°5: Elementos Electrónicos De Juntura-Diodos Fabiana Alejandra Recalde Mendoza, Edwin Alexander Ron Loaiza, Génesis Ivonne Díaz Cuenca, GR3S3, fabiana.recalde@epn.edu.ec, edwin.ronloaiza@epn.edu.ec, genesis.diaz@epn.edu.ec Laboratorio de Electrónica Industrial, Facultad de Ingeniería Mecánica, Escuela Politécnica Nacional Ing. Christian Tapia, lunes 20 de junio de 2022, 9:00 – 10:00. Resumen— En esta práctica se analizó el comportamiento del voltaje dentro de un circuito donde está implementado un diodo de silicio. Este es un elemento electrónico. Se realizaron tres configuraciones diferentes respectivas a circuitos recortadores, rectificadores de media onda y onda completa. Se observó el comportamiento de la onda sinusoidal sin capacitores y con estos con una variación en la capacitancia. Además, se realizó el circuito con el programa Tinkercad para la comprensión de las conexiones reales de todos los elementos. Finalmente, se realizó una identificación de los elementos de las baterías reales. Palabras claves—onda sinusoidal, diodo, capacitor, rectificador, circuito. Abstract—In this practice, the behavior of the voltage inside a circuit where a silicon diode is implemented was analyzed. This is an electronic item. Three different configurations were made, respective to clipping circuits, half-wave and full-wave rectifiers. The behavior of the sinusoidal wave without capacitors and with these with a variation in capacitance was observed. In addition, the circuit was made with the Tinkercad program to understand the real connections of all the elements. Finally, an identification of the elements of the real batteries was carried out. Keywords— sine wave, diode, capacitor, rectifier, circuit. I. CUESTIONARIO 1.1. Explicar cómo se prueban diodos con un multímetro. ¿Qué medición arroja si el diodo funciona bien? ¿Qué medición arroja si el diodo está deteriorado? Existen dos métodos: I. Modo prueba de diodos Este produce un pequeño voltaje entre los cables de prueba, el multímetro luego muestra la caída de voltaje cuando los cables de prueba están conectados a través de un diodo polarizado en directo. Pasos: • Asegurarse de que toda la energía del circuito esté apagada y no haya tensión en el diodo. Los capacitores se deben descargar. Ajuste el multímetro para medir voltaje de CA o CC según se requiera. • Colocar el multímetro en modo prueba de diodos. • Conectar los cables de prueba al diodo. Anotar la medición • Invertir los cables de prueba. Anotar la medición. Si el diodo funciona bien: Un diodo de silicio polarizado en directo mostrará una caída de voltaje que va de 0.5 a 0.8 voltios. Uno diodo de germanio muestra una caída que va de 0.2 a 0.3 voltios. Si el diodo está deteriorado: El diodo tendrá la misma lectura de caída de voltaje (aproximadamente de 0.4 voltios) en ambas direcciones. II. Modo Resistencia - No siempre indica si un diodo está en buenas o malas condiciones - No se debe utilizar cuando se conecta un diodo en un circuito, ya que puede producir lecturas falsas Pasos: • El primer paso es el mismo que del modo prueba de diodos • Colocar el multímetro en modo Resistencia • Conectar los cables de prueba al diodo después de que se le haya retirado del circuito. Anotar la medición. • Invertir los cables de prueba. Anotar la medición. • Para mejor resultado, comparar las lecturas tomadas con un diodo conocido en buen estado. Si el diodo funciona bien: El multímetro muestra OL cuando un diodo bueno esta polarizado en directo. La lectura OL indica que el diodo funciona como interruptor abierto. Si el diodo está deteriorado: El diodo no permite que la corriente fluya en ambas direcciones. El multímetro mostrará OL en ambas direcciones. 1.2. Indicar y explicar el flujo de corriente en cada ciclo del período para el circuito de la Figura 4. Figura 1. Circuito - Figura 4. Fuente: Guía de Prácticas El circuito presentado en la Figura uno fue construido en los programas Tinkercad y Proteus con diferentes valores de corriente continua los cuales son 9V, 6V, 3V y 1V. Cuando se le colocó al circuito la corriente de 9V, el diodo está polarizado inversamente, ya que el voltaje más alto es la del cátodo, actuando como switch abierto, lo que hace que el osciloscopio nos de el mismo valor de 8V. Para el resto de los casos desde 1V a 6V de corriente continua, se realiza un análisis cíclico en cada periodo, por lo que abría dos ciclos en un periodo, uno positivo y otro negativo. Ahora el diodo solo conducirá cuando la señal AC supere a la señal DC, en ese instante la señal de salida registrada por el osciloscopio será la misma que la del cátodo. Y para el semiciclo negativo, el diodo no conducirá por lo que esta polarizado inversamente, lo cual la señal de salida será la misma que la de entrada. 1.3. Presentar los oscilogramas y los datos tomados para el circuito de la Figura 4 y explicar por qué se da la diferencia entre ellos. Calcular errores y presentar ejemplos de cálculo. La principal diferencia que hay es entre la figura 3 con las figuras 4,5 y 6 debido a que en la figura 3 el osciloscopio nos muestra la onda completa, como si no estuviera el diodo ni la batería, esto sucede debido a que el diodo esta polarizado inversamente en todo momento, porque la señal de cátodo siempre es mayor a la del ánodo, lo que hace actuar como un switch abierto. En cambio, las otras 3 la señal del ánodo si llega a ser mayor que la del cátodo, por lo cual en ese momento la señal que llega al osciloscopio es la de la batería, en la onda se muestra como el tramo que se corta, debido a esto los valores teóricos son los de cada batería más la caída de voltaje del diodo. Figura 2. Circuito construido en tinkercad Figura 3. Circuito construido en proteus Figura 4. Onda con corriente continua de 9V Figura 5. Onda con corriente de 6V Figura 6. Onda con corriente continua de 3V Figura 7. Onda con corriente continua de 1V Ahora para calcular el error necesitamos los valores pico a pico de los voltajes teóricos y experimentales 𝑉𝑝𝑝𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 = |𝑉𝑚𝑎𝑥| + |𝑉𝑚𝑖𝑛| (1) 𝑉𝑝𝑝𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙= 8V +8V = 16 V 𝑒 = |𝑉𝑝𝑝𝑒𝑥𝑝𝑒 − 𝑉𝑝𝑝𝑡𝑒𝑜| 𝑉𝑝𝑝𝑡𝑒𝑜 ∗ 100% (2) 𝑒 = |14.5 − 14.7| 14.7 ∗ 100% = 1.36 % Tabla 1. Datos de voltaje experimental y teórico. Fuente DC Vo Experimental [𝐕] Vo Teórico [𝐕] Error 𝐕𝐜𝐜 [𝐕] 𝐕𝐦á𝐱 𝐕𝐦𝐢𝐧 𝐕𝐩𝐩 𝐕𝐦á𝐱 𝐕𝐦𝐢𝐧 𝐕𝐩𝐩 9 8 -8 16 8 -8 16 0 % 6 6.7 -7.8 14.5 6.7 -8 14.7 1.36 % 3 4.6 -7 11.6 3.7 -8 11.7 0.85 % 1 3.4 -6.2 9.6 1.7 -8 9.7 1.03 % 1.4. Presentar los oscilogramas obtenidos en la práctica (se debe apreciar claramente la forma de onda, la escala vertical (voltaje) y la horizontal (tiempo), así como sus valores por división) para las tres variaciones del circuito de la Figura 5. Explicar por qué se da la diferencia entre estas formas de onda. Figura 8. Rectificador de media onda en Proteus. Figura 9. Media onda del circuito sin capacitor. Figura 10. Circuito con capacitor 1µF en paralelo con la resistencia. Figura 11. Onda con capacitor de 1F en paralelo a la resistencia Figura 12. Circuito con capacitor 1000µF en paralelo con la resistencia. Figura 13. Onda con capacitor de 1000F en paralelo a la resistencia. En la Figura 9 se observa el diagrama de la onda correspondiente al circuito conformado por resistencia, diodo, y voltaje sinusoidal. Debido al diodo implementado de observa una rectificación de media onda. Cuando el diodo es polarizado el circuito conduce corriente, y el voltaje corresponde a la senoide, mientras que cuando tiene polarización inversael diodo se comporta como un circuito abierto, es decir, no conduce corriente. Por otro lado, en las Figuras 11 y 13 se observa un rizado pico a pico, se aproxima a una corriente constante. En este circuito el capacitor se llega a cargar a un voltaje pico y en el ciclo negativo se descarga pero de forma parcial, posteriormente en el ciclo positivo se carga. Figura 14. Rectificador de media onda en Tinkercad. 1.5. Presentar los datos medidos para las tres variaciones del circuito de la Figura 5 y hallar el error respecto a los valores teóricos. Presentar un ejemplo de cálculo. Comentar sobre los errores encontrados, así como identificar posibles causas y soluciones. Tabla 2. Valores de voltaje pico-pico. Voltaje Pico – Pico, Vpp Teórico Experimental % Error Sin capacitor 7.3 7.4 1.37 1 µF 4.87 4.1 15.81 1000 µF 0.0073 0.0068 6.85 Tabla 3. Valores de voltaje medio. Valor medio de voltaje, 𝑉𝐷𝐶 Teórico Experimental % Error Sin capacitor 2.32 2.36 1.72 1 µF 4.87 5.35 9.86 1000 µF 7.29 7.215 1.03 Tabla 4. Valores de voltaje eficaz. Valor de voltaje eficaz, 𝑉𝑅𝑀𝑆 Teórico Experimental % Error Sin capacitor 3.65 3.7 1.37 1 µF 1.41 2.05 45.39 1000 µF 0.0063 0.0034 46.03 A continuación, se realizará un ejemplo de cálculo correspondiente al rectificador de media onda del circuito sin el capacitor. El voltaje sinusoidal de entrada de amplitud 8V, frecuencia de 100 Hz, y R=10 kΩ, además, el diodo implementado es de Silicio con un voltaje de 0.7 V. 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 8 𝑉 − 0.7 𝑉 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 7.3 𝑉 𝑉𝐷𝐶 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝜋 𝑉𝐷𝐶 = 7.3 𝜋 (3) 𝑉𝐷𝐶 = 2.32 𝑉 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 2 (4) 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 7.3 2 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 3.65 𝑉 Luego, para el rectificador de media onda con capacitor, se calcula los valores correspondientes a el voltaje pico – pico, valor eficaz 𝑉𝑅𝑀𝑆, y valor medio de voltaje 𝑉𝐷𝐶 . Determinamos el valor del voltaje pico a pico con 𝑉𝑝𝑝 = ( 2 2 ∙ 𝑓 ∙ 𝐶 ) ∙ 𝐼𝐷𝐶 (5) O alternamente, 𝑉𝑝𝑝 = ( 2 2 ∙ 𝑓 ∙ 𝐶 ) ∙ 𝑉𝐷𝐶 𝑅 (6) Se tiene que, 𝑉𝐷𝐶 = 𝑉𝑃 − 𝑉𝑃𝑃 2 (7) Se reemplaza en () en la ecuación, 𝑉𝑝𝑝 = ( 2 (2 ∙ 𝑓 ∙ 𝐶 ∙ 𝑅) + 1 ∙ 𝑉𝑃) (8) Finalmente, para determinar el valor eficaz de voltaje, se emplea (-), 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 − 𝑉𝑚𝑖𝑛 2√3 (9) Alternamente, 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑃𝑃 2√3 (10) Para este circuito tenemos que el capacitor es de 1 µF, la frecuencia f es de 100 Hz, el valor de la resistencia es de 10 kΩ. Se reemplaza estos valores en (-), para determinar el votaje pico a pico. 𝑉𝑝𝑝 = ( 2 (2 ∙ 100 [𝐻𝑧] ∙ 10[𝑘Ω] ∙ 1[µ𝐹]) + 1 ∙ 7.3 [𝑉]) 𝑉𝑝𝑝 = 4.87 [𝑉] Posteriormente, el valor medio de voltaje se calcula con ( -) 𝑉𝐷𝐶 = 7.3 − 4.87 2 𝑉𝐷𝐶 = 4.87 [𝑉] Finalmente, se determina el voltaje eficaz con (-), 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 4.87 2√3 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 1.41 [𝑉] Se calcula el error porcentual correspondiente al valor teórico y experimental del voltaje pico – pico del circuito sin capacitor con (-) %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙| 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 ∗ 100 %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |7.3 − 7.4| 7.3 ∗ 100 %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 1.37 % 1.6. Presentar los oscilogramas obtenidos en la práctica (se debe apreciar claramente la forma de onda, la escala vertical (voltaje) y la horizontal (tiempo), así como sus valores por división) para las tres variaciones del circuito de la Figura 6. Explicar por qué se da la diferencia entre estas formas de onda. Figura 15. Rectificador de onda completa con cuatro diodos en Proteus Figura 16. Rectificador de onda completa puente de diodos en Tinkercad Una vez graficado el circuito tanto en Proteus como en Tinkercad, se hace el análisis de las ondas en el osciloscopio digital de Proteus. Para el primer caso que es el circuito sin capacitor, se observa que se tiene una escala vertical de 0.5 [V] y en la escala horizontal de 0.5 [ms], estos valores por cada cuadro. Figura 17. Onda del circuito sin capacitor Ahora, en el mismo circuito se coloca un capacitor en paralelo con la resistencia, se trabajará con un capacitor de 1F y 1000F. Figura 18. Circuito con capacitor en paralelo con la resistencia en Proteus Figura 19. Circuito de Rectificador de onda completa con un capacitor y una resistencia en Tinkercad Analizando el osciloscopio digital, se puede apreciar la onda, en este caso con el capacitor de 1F, por cada cuadro se trabaja a escala vertical de 0.5[V] y en la escala horizontal de 0.5 [ms]. Figura 20. Onda con capacitor de 1F en paralelo a la resistencia Ahora, con el capacitor de 1000F, se tiene por cuadro la siguiente escala: escala vertical de 2 [mV] y en la escala horizontal de 1[ms]. Figura 21. Onda con capacitor de 1000F en paralelo a la resistencia La diferencia entre las formas de onda se da por la presencia del capacitor. La primera gráfica sin el capacitor se observa la señal de la fuente sin rectificación. Luego, al colocar el capacitor de 1F se observa cómo se rectifica la onda por la carga del capacitor, produciendo pequeñas variaciones en la señal de la onda y así mismo realiza recortes, al colocar el capacitor con un valor más grande como el de 1000F, la señal se rectifica más. 1.7. Presentar los datos medidos para las tres variaciones del circuito de la Figura 6 y hallar el error respecto a los valores teóricos. Presentar un ejemplo de cálculo. Comentar sobre los errores encontrados, así como identificar posibles causas y soluciones. - Ejemplo de cálculo: Para el ejemplo de cálculo, se debe considerar que el voltaje poco de un diodo real es de 0,7V, siendo el valor del diodo del Silicio. Entonces, los diodos al conducir de dos en dos cuando el voltaje de entrada está polarizado de forma directa y así mismo si se polariza de forma inversa. Se calcula el Vp de la siguiente manera: 𝑉𝑝 = 8𝑉 − 2(0.7𝑉) (-) Donde, Vp sería igual al valor de pico de la señal menos el voltaje umbral. 𝑉𝑝 = 6.6 [𝑉] Para calcular el valor medio de voltaje, se emplea la siguiente ecuación: 𝑉𝐷𝐶 = 2 2𝜋 ∫ 𝑉𝑝 𝜋 0 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡)𝑑(𝜔𝑡) = 2𝑉𝑝 𝜋 (−) 𝑉𝐷𝐶 = 2𝑉𝑝 𝜋 𝑉𝐷𝐶 = 2 ∗ (6.6𝑉) 𝜋 𝑉𝐷𝐶 = 4.2 [𝑉] Ahora, para el valor de voltaje eficaz, se usa la siguiente ecuación: 𝑉𝑅𝑀𝑆 = √ 2 2𝜋 ∫ 𝑉𝑝2 𝜋 0 𝑠𝑒𝑛2(𝜔𝑡)𝑑(𝜔𝑡) = 𝑉𝑝 √2 (−) 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑝 √2 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 6.6. 𝑉 √2 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 4.67 [𝑉] Tabla 2 5. Valores obtenidos para el Circuito-Rectificador de onda completa sin capacitor Voltaje Valor obtenido Voltaje pico-pico 6.6 [V] Voltaje DC 4.2 [V] Voltaje RMS 4.67 [V] En el caso de los capacitores, se realizan los siguientes cálculos, empleando las fórmulas: - Voltaje pico a pico 𝑉𝑝𝑝 = ( 2 (4 ∗ 𝑓 ∗ 𝑅 ∗ 𝐶) + 1 ) ∗ 𝑉𝑝 (−) Para los valores de C=1F, f= 100 [Hz] y R= 10[kΩ] 𝑉𝑝𝑝 = ( 2 (4 ∗ 100 [Hz] ∗ 10[kΩ] ∗ 1[mF]) + 1 ) ∗ 6.6 [𝑉] 𝑉𝑝𝑝 = 2.64 [𝑉] - Voltaje DC 𝑉𝐷𝐶 = 𝑉𝑝 − 𝑉𝑝𝑝 2 (−) 𝑉𝐷𝐶 = 6.6 [𝑉] − 2.64 [𝑉] 2 𝑉𝐷𝐶 = 5.28 [𝑉] - Valor de voltaje eficaz 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑝𝑝 4√3 (−) 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 2.64 [𝑉] 4√3 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 0.38 [𝑉] - Error porcentual %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙| 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 ∗ 100 (−) %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = |2,64 − 2,02| 2,64 ∗ 100 %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 23,48 Tabla 6. Valores obtenidos de Voltaje pico-pico, experimental y teórico, para las tres variantesdel circuito Característica Valor experimental 𝑽𝒑𝒑 [V] Valor teórico 𝑽𝒑𝒑[𝐕] %Error porcentual Sin capacitor 6,6 6,6 0 1F 2,02 2,64 23,48 1000 F 0,0024 0,0033 27,27 Tabla 7. Valores obtenidos de Voltaje DC, experimental y teórico, para las tres variantes del circuito Característica Valor experimental 𝑽𝑫𝑪[𝐕] Valor teórico 𝑽𝑫𝑪[𝐕] %Error porcentual Sin capacitor 4 4,2 4,76 1F 5,51 5,28 4,36 1000 F 6,64 6,59 0,76 Tabla 8. Valores obtenidos de Voltaje RMS, experimental y teórico, para las tres variantes del circuito Característica Valor experimental 𝑽𝑹𝑴𝑺[𝐕] Valor teórico 𝑽𝑹𝑴𝑺[𝐕] %Error porcentual Sin capacitor 4,66 4,67 0,21 1F 0,5 0,38 31,58 1000 F 0,00043 0,0005 14 Para el valor práctico, consideramos el valor que nos da el multímetro en cada circuito. Con respecto a los valores de los errores porcentuales para las tres variantes del circuito, se observa que no son tan altos los errores, esto puede significar que el uso de las fórmulas para cada cálculo fue adecuado. En caso, que el error hubiese sido mayor, se requiere un mejor análisis en los recortes de la señal. II. CONCLUSIONES Díaz Cuenca Génesis Ivonne − Con base a las Figuras 11 y 13, se observa el comportamiento de la onda sinusoidal de voltaje que se tiene una aproximación a un voltaje continuo, debido a la caga y descarga del capacitor. − Se observó en los oscilogramas que al implementar capacitores de valores más altos el tiempo de carga y descarga se comporta de forma directa, es decir, si el valor del condensador es de 1µF el tiempo de carga y descarga será menor que el tiempo empleado para un condensador de 1000 µF. Recalde Mendoza Fabiana Alejandra − Con respecto a la rectificación de onda completa, se observa, que al colocar un capacitor la forma de la onda es diferente de acuerdo con la carga del capacitor, concluyendo que, al aumentar el valor del capacitor, la forma de la onda experimenta una mayor rectificación. − En conclusión, el funcionamiento de estos elementos juntura van a depender de su polarización, cuando el potencial del ánodo es mayor que el cátodo, se trata de una polarización directa, funcionando como cortocircuito. En cambio, cuando el potencial en el ánodo es menor al cátodo, su polarización es inversa, lo cual no permite el paso de corriente en el circuito. Ron Loaiza Edwin Alexander − Tal y como hemos podido comprobar en el primer circuito, los diodos actuarán como switch cerrado o abierto dependiendo de la señal que actúa en su ánodo y cátodo. − Tras el análisis, podemos deducir que los diodos en circuitos como el primero se encenderán con cualquier voltaje proporcionado por el generador de funciones siempre y cuando sea mayor que el voltaje proporcionado por la fuente DC y por el otro lado se apagará con cualquier voltaje menor. III. RECOMENDACIONES Díaz Cuenca Génesis Ivonne − Conectar el osciloscopio de forma que se tome se analice en el equipo la terminal de voltaje correspondiente a la requerida. No confundir la onda sinusoidal de entrada con la de la carga. − Para la recolección de datos experimental usar el software Proteus, mientras que para simular la conexión real de circuitos usar Tinkercad. Recalde Mendoza Fabiana Alejandra − Para mayor apreciación en los gráficos, se recomienda escoger la escala adecuada ajustando las perillas del osciloscopio para apreciar de manera clara las formas de las ondas y sus valores. − Se recomienda identificar y analizar si se trabaja con rectificadores de media onda o de onda completa para aplicar las fórmulas correctas, evitando cálculos y análisis erróneos. Ron Loaiza Edwin Alexander − Se recomienda hace una verificación de los componentes electrónicos antes de utilizarlos, para de esta forma saber si están en buenas condiciones y evitar tener resultados erróneos. − Se recomiendo visualizar en el osciloscopio si la señal senoidal requerida es la correcta, esto antes de variar las señales.
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