preinforme lab eln 1

UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

CHILE ELÉCTRICA

Pre-informe Laboratorio de Electrónica

Laboratorio 01: Fuente de Poder

Regulada con diodo Zener

Integrantes: Jaime Salazar Valenzuela

Rodrigo Ulloa Gaete

Profesor: Pablo Aqueveque

Fecha: 27 de octubre de 2011

Laboratorio de Electrónica Página 2

Observaciones


1. Índice Página

2. Introducción. 4

3. Listado de materiales y/o equipos 4

4. Descripción de actividades 5

5. Preguntas de investigación 29

6. Preguntas guías 30

7. Pauta de evaluación 33


2. Introducción.

En el presente Laboratorio, se desarrolla lo investigado con respecto al diseño e

implementación de una fuente de poder regulada con diodo Zener. Para implementar dicho

circuito se utilizó un transformador reductor aislado, un rectificador de onda completa

monofásico no controlado, mediante diodos 1N4007 denominado Puente de Graetz, un

diodo LED para verificar que la fuente esté energizada, capacitores para filtrar la salida y

un diodo Zener para regular la tensión de salida para múltiples cargas.

Se definen cada una de sus características y se detallan paso a paso cada una de sus

partes e instrumentos utilizados, todo esto complementado con un software de apoyo,

Multisim®.

3. Listado de materiales y/o equipos.

Tabla 1. Listado de instrumentos utilizados en el presente Laboratorio.

Cantidad Símbolo Nombre

1 Xsc1 Osciloscopio EZ OS-5020/5020C 1 T1 Transformador 220 v / 6v-0v-6v / 500mA

1 LED1 Diodo LED rojo 1.83 v / 20 mA

4 D1,D2,D3,D4 Diodo 1N4007

1 C Capacitor 1100 uF

1 C1 Capacitor 10 uF / 50 v



1 D5 Diodo Zener 1N4734

1 Rl Resistencia 56 Ω

3 R1, R2, R3 Potenciómetro 1kΩ / 1 W

2 R22 Resistencia 33 Ω / 0.25 W


4. Descripción de actividades.

a) Diseñar e implementar una fuente de poder no regulada utilizando un

transformador de aislación 220[V]/6[V]-0[V]-6[V]/500[mA], un circuito

rectificador de onda completa tipo puente con diodos 1N4007 y una carga

resistiva pura. Carga máxima 200 [mA]. Utilice un diodo LED para generar una

señal luminosa que indique cuando la fuente de poder esta energizada. Visualizar

las formas de onda en cada componente y obtener la curva de regulación de

carga. Tabule voltajes y corrientes AC, DC, y el ripple de voltaje de salida.

En la primera actividad se energiza el transformador reductor (T1) con una tensión

RMS de 220 [V], del cual se utiliza la razón de vueltas 12/220, el cual alimenta a un Puente

de Graetz conformado por los diodos rectificadores 1N4007 (D1, D2, D3 y D4), el cual a su

vez alimenta una carga resistiva (R2). Para comprobar que el circuito rectificador se

encuentre energizado, se conecta un diodo LED rojo (LED1) en paralelo a la carga, para

limitar su corriente y evitar daños, se debe utilizar una resistencia en serie a éste (R1).

Finalmente las formas de tension se visualizan mediante un osciloscopio análogo,

que para las simulaciones se utilizaron dos osciloscopios (XSC1 y XSC2), pero en la

actividad práctica se realizará con uno solo. En la figura 1 se observa el circuito para la

presente actividad.

Para obtener los valores de las respectivas resistencias del circuito de la figura 1, se

deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:

1.- La carga máxima debe ser de 200 [mA], siendo este el valor DC.

2.- La corriente máxima de los LED de color rojo es 20 [mA], la caída de tensión es de

1,83 [Vdc].

3.- La caída de tensión en cada diodo rectificador es de 0,8 [Vdc].

Luego, se resumen los cálculos realizados para la presente experiencia.

En el caso de la resistencia en serie con el diodo LED (R1), esta se calculó para una

corriente de 50% de su valor nominal.


Figura 1. Fuente no regulada de tensión.

En la figura 1, se observa la configuración para la actividad, en la cual, se consiguen

todas las consideraciones propuestas y los valores esperados, estos se resumen en la tabla 2.

Tabla 2. Valores de simulación. Actividad 1.

Medición Valores de simulación

Voltaje peak de entrada del primario 311.126 [V]

Voltaje peak-peak de salida del secundario 16.970 [V]

Voltaje peak-peak salida del Puente de Graetz 15.370 [V]

Frecuencia de entrada 50 [Hz]

Frecuencia de salida 100 [Hz]

Corriente DC de carga 199 [mA]

Corriente DC por la rama del diodo LED 10.1 [mA]

Voltaje DC de carga 9.23 [V]

En la figura 2 se observa la señal de tensión de la red eléctrica a la cual se conectará

el circuito para la actividad. Esta señal no cambiará para ninguna de las actividades.

La figura 3 muestra las señales de entrada (señal sinusoidal) y salida (señal

rectificada) del puente de Graetz. Cabe señalar que la tensión de salida posee un peak

menor que la de entrada debido a la caída de tensión en los diodos rectificadores, además

existe un lapso de tiempo en que los diodos no conducen debido a que no se alcanza la

tensión mínima de conducción. Las señales de corriente en los respectivos puntos en que se

obtuvieron las gráficas de voltaje poseen la misma forma de éstas últimas por lo que no se

extrajeron, solo que se reducen según el valor de resistencia.

Notar que la simulación se realizó con los valores estándar más cercanos a los

cálculos de resistencias, obtenidas del software Multisim®. Aunque debido a la

disponibilidad de materiales en pañol los parámetros de los materiales a utilizar en el

laboratorio posiblemente no sean iguales a los anteriores, aunque se esperan valores

aproximados. En la tabla 3, se presentan los valores de las resistencias y potenciómetros


que se tienen a disposición en Pañol, los primeros para la resistencia en serie con el LED, lo

cual, se conectarán varias en serie y el potenciómetro se utilizará para efectuar las medidas

de regulación de carga.

Tabla 3. Instrumentos a disposición en Pañol.

Instrumento Valor óhmico [Ω] Potencia

Resistencia 10 - 30 – 33 – 39 – 47 – 56 –

68 – 82 – 91 – 160 – 180 - 270

0.25 W

Potenciómetro 1000 – 5000 - 10000 1.00 W

Figura 2. Señal de tensión de la red eléctrica.


Figura 3. Señales de tensión a la entrada y salida del puente de graetz.

En la tabla 5, se tabularán los datos obtenidos en el Laboratorio, y en las figuras

siguientes, se graficarán las formas de onda dadas.

Tabla 4. Valores medidos. Actividad 1.

Medición Valores prácticos

Voltaje peak de entrada del primario

Voltaje peak-peak de salida del secundario

Voltaje peak-peak salida del Puente de Graetz

Frecuencia de entrada

Frecuencia de salida

Corriente DC de carga

Corriente DC por la rama del diodo LED

Voltaje DC de carga


Figura 4. Oscilograma de la tensión de la red eléctrica

Figura 5. Oscilograma de la señal de entrada del puente de graetz.


Figura 6. Señal de tensión de salida del puente de graetz.

Para obtener la curva de regulación de tensión en la carga se utilizará un

potenciómetro como resistencia de carga (R2’), se medirá tensión con un multímetro digital

y se tabulan los datos a continuación.

Tabla 5.Mediciones para la curva de regulación.

Resistencia

de carga

VDC VAC IDC IAC Ripple

b) Para una corriente de carga 100 [mA], insertar en paralelo a la carga un

condensador de 10[μF]/50[V], 100[μF]/50[V] y 1000[μF]/50[V]. Visualizar

formas de onda (Fig.1: señales 1 - 4) y repita las mediciones. Tabule los datos

registrados para cada caso.

Al igual que en la primera actividad, se energiza el transformador reductor (T1) desde

la red eléctrica, la razón de transformación es 12/220, este transformador a su vez alimenta

el puente de graetz conformado por los diodos 1N4007 (D1, D2, D3 y D4), este último es el

encargado de alimentar a la carga. También se mantiene el LED rojo (LED1) en este

circuito, al igual que su resistencia limitadora (R1). A diferencia con el circuito de la


actividad anterior, este presenta un filtro capacitivo de 10 [uF] (C1) que tiene el objetivo de

suavizar la señal de salida.

Para calcular la resistencia de carga, se debe considerar que en este caso la corriente

máxima es de 200 [mA], el voltaje de alimentación es el mismo por lo que la resistencia de

carga (R3) se calcula de la siguiente forma.

Pero para efectos de simulación se utilizó un valor estándar del programa cercano al

calculado, teniendo en consideración que este fuera mayor para no superar la corriente de

carga de 100 [mA]. El circuito a emplear se muestra en la figura 7.

Figura 7. Circuito a emplear para fuente no regulada con filtro capacitivo.

En la figura 8 se muestran las formas de onda de corriente y voltaje a la entrada del

transformador. La señal de voltaje es completamente sinusoidal, en cambio la corriente

presenta lapsos de tiempo en los cuales es su valor cero, esto debido a que los diodos no

conducen en esos puntos. Las señales de salida del trafo se muestran en la figura 9, estas

poseen la misma forma que las de entrada, sólo cambian sus valores de amplitud.


Figura 8. Señales de corriente y voltaje en la entrada del trafo.

Figura 9. Señales de corriente y voltaje en la salida del trafo.


Figura 10. Señales de corriente y voltaje en la salida del puente de Graetz.




















Voltaje DC de carga



Resistencia

de carga


Las figuras 11, 12 y 13 corresponden a los oscilogramas obtenidos del laboratorio.

Figura 11. Señales de corriente y voltaje en la entrada del trafo.


Figura 12. Señales de corriente y voltaje en la salida del trafo.

Figura 13. Señales de corriente y voltaje en la salida del puente de graetz.


Para el caso del condensador de 100 [uF] (C2) se mantiene la resistencia de carga

calculada, y el procedimiento es el mismo realizado para fuente no regulada con filtro de 10

[uF].

Figura 14. Esquema a emplear para fuente no regulada con filtro de 100 [uF].

v

Figura 15. Señales de corriente y voltaje en la entrada del trafo para C2.


Figura 16. Señales de corriente y voltaje en la salida del trafo para C2.

Figura 17. Señales de corriente y voltaje en la salida del puente de graetz para C2.

Tanto en la figura 15 como 16 la señal de corriente tiene un lapso de tiempo en que

es cero, ello debido a que el condensador actúa sobre el circuito, aportando corriente a la


carga cuando la tensión de la salida del puente de graetz disminuye y el condensador se

descarga. En la figura 17 se puede observar que la tensión de la salida del puente de graetz

es más continua que en los casos anteriores por el efecto de descarga del condensador sobre

la resistencia de carga.




















Voltaje DC de carga


Resistencia

de carga


Las figuras 18, 19 y 20 corresponden a los oscilogramas obtenidos del laboratorio.



Por último, para el condensador de 1000 [uF] (C3), se tiene el siguiente circuito, que

se muestra en la figura 21.

Figura 21. Esquema de fuente no regulada con filtro capacitivo de 1000 [uF].



En las figuras 22 y 23 se observan señales de voltaje completamente sinusoidales, a

diferencia de las señales de corriente que la mayor parte del tiempo es cero debido a que la

mayoría de la corriente de la carga es aportada por el condensador. Cuando el condensador

se carga la primera vez, requiere una gran corriente pero luego de estabiliza.









Corriente DC por la rama del diodo LED 17 [mA]












Voltaje DC de carga


Resistencia

de carga


c) Utilizando una fuente de poder no regulada con un ripple de salida menor al 10%

diseñar y montar una fuente de tensión regulada utilizando un diodo Zener

1N4734 para una corriente máxima de carga de 100 [mA]. Visualizar las formas

de onda en cada etapa del circuito. Repetir las mediciones y tabular los datos.

Recordando no desconectar la resistencia de carga si el circuito está energizado,

ya que, el diodo Zener podría dañarse si los cálculos para la resistencia

limitadora no son los correctos.

Al igual que en las actividades anteriores, se comienza energizando el transformador

reductor (T1) con una tensión RMS de 220 [V], del cual se utiliza la razón de vueltas

12/220, el cual alimenta a un Puente de Graetz conformado por los diodos rectificadores

1N4007 (D1, D2, D3 y D4), el cual a su vez alimenta un diodo LED rojo (LED1), que se

utiliza para verificar que el circuito rectificador se encuentre energizado, el cual, está

conectado a una resistencia en serie (R1), para limitar la corriente que circule por él.

Paralelo a ambos, se ubica un Capacitor, que se utiliza para filtrar la señal de salida del

rectificador y cuyo valor capacitivo se detalla a continuación. Luego, se añade una

resistencia limitadora (Rs). Y finalmente, paralelo a la carga se ubica un diodo Zener

1N4732, cuyo función es regular la señal de salida según su tensión de operación Vz. La

carga corresponde a una resistencia cuyo valor depende de la caída de tensión del Zener y

la corriente máxima de carga dada en el enunciado.


Luego, se obtienen los valores de los respectivos dispositivos del circuito de la

figura 25, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones y los siguientes datos

obtenidos de los datasheet de algunos elementos.

1. Ripple máximo de 10%.

2. Corriente máxima de carga de 100 mA.

3. Corriente mínima de carga de 0 mA.

4. Vz = 5.6 V

5. Iz máx. = 162 mA

6. Iz mín. = 0.1 · Iz máx.

Luego, por consideraciones de diseño. Se tienen las siguientes ecuaciones.

Donde:

Al reemplazar los datos, se obtiene.


Figura 25. Esquema circuito fuente regulada con diodo zener.

En la figura 25, se observa que se utilizaron los valores de resistencia limitadora

(Rs1) y para el capacitor (Cf1) calculados. Esto debido a los valores estándar más cercanos

utilizados en el software Multisim®, pero que deben ser levemente modificados según

disponibilidad en Pañol. Por otro lado, los valores de simulación obtenidos se resumen en

la tabla 15, en donde se extrae que todos cumplen con los requisitos y consideraciones antes

planteadas.





Voltaje peak-peak salida del Puente de Graetz 14. 6 [V]



Corriente DC de carga máxima 100 [mA]




A continuación, se presentan las curvas más importantes, obtenidas de la presente

actividad.

Figura 26. Curva de tensión de salida DC.


Figura 27. Curva de tensión Vs, con un ripple de 10%.

En la tabla 16, se tabularán los datos obtenidos en el Laboratorio, y en las figuras

siguientes, se graficarán las formas de onda dadas.








Corriente DC de carga máxima


Voltaje DC de carga


Figura 28. Oscilograma de la tensión de salida DC.

Figura 29. Oscilograma de la señal tensión Vs, con un ripple de 10%.

Para obtener la curva de regulación de tensión en la carga se utilizará un

potenciómetro como resistencia de carga (Rl), se medirá tensión con un multímetro digital

y se tabulan los datos a continuación.



Resistencia

de carga


Investigar acerca del cálculo del factor de potencia y las componentes armónicas

presentes en la corriente de entrada de los distintos circuitos. ¿Cómo influye la distorsión

de las corrientes de entrada en el factor de potencia de una fuente de poder? ¿Qué

ocurre con la eficiencia de una fuente de poder al utilizar un circuito regulador basado

en diodo Zener?

Cuando las ondas de voltaje y de corriente son senoidales, y las cargas son lineales,

como son las resistencias y/o potenciómetros, al factor de potencia se le llama Factor de

potencia de desplazamiento. Sin embargo, los sistemas eléctricos modernos cuentan con

una gran cantidad de componentes no lineales, como son los diodos utilizados para

rectificar la señal. Esta forma de factor de potencia es denominado Factor de potencia de

distorsión, y está definido como la razón de la corriente de la frecuencia fundamental a la

corriente real rms. Y, el producto del factor de potencia de desplazamiento con el de

distorsión da el Factor de potencia total.

En un sistema eléctrico, las corrientes armónicas provocadas por cargas no lineales,

pueden causar un Factor de Potencia muy bajo (entre 0,6 y 0,7), mientras que el Factor de

potencia de desplazamiento puede estar relativamente alto (entre 0,90 y 0,95).

Con respecto a las armónicas, éstas han añadido una nueva dimensión a los sistemas

eléctricos, y si no se toman en cuenta, pueden causar serios problemas. Aún con todas las

precauciones, los sistemas deben inspeccionarse regularmente por cambios en el contenido

armónico, lo que indicaría un aviso de problemas potenciales. Las mediciones se vuelven

particularmente importantes cuando se instalan cargas muy grandes o cuando se añaden

nuevas fuentes no lineales, como las que tienen los variadores de frecuencia, o los UPS, o

los rectificadores como en el presente caso.

Finalmente, se añade que el uso de transformadores con conexión adecuada,

también ayuda a reducir los armónicos. Un transformador con conexión delta-estrella atrapa

las armónicas múltiplos de 3, mientras que los de conexión estrella-estrella no. Las

armónicas 5, 7, 9, 11, 13, etc. pasarán a través de cualquier transformador, aunque serán

atenuadas por la impedancia del mismo.

Con respecto a los Reguladores de Tensión, estos controlan la tensión de salida

ajustando continuamente la caída de tensión en un transistor de potencia conectado entre la

entrada no regulada y la carga. Puesto que el transistor debe conducir corriente

continuamente y opera en su región activa o lineal, esto ocasiona que este tipo de

reguladores sea muy poco eficiente pues existe en todo momento una potencia consumida,


esta eficiencia está alrededor de 20%. Para los presentes circuitos, la eficiencia se

determina calculando la tensión de salida del rectificador dividida por la tensión de salida

de la carga, que estará determinada por la tensión de trabajo del diodo Zener utilizado.

5. Preguntas de investigación.

1.- ¿A qué corresponde la curva de regulación de la salida de una fuente DC?

A un estudio del comportamiento en cuanto a fluctuaciones de los niveles de tensión

para distintos valores de cargas.

2.- Indique y justifique como se modifica el ripple de voltaje DC de una fuente de

poder no regulada con filtro capacitivo de salida al variar la carga (considere

incremento y reducción en resistencia de carga).

Al variar el nivel de la carga variará el ripple, siendo mayor a medida que la

impedancia es menor, esto debido a que el condensador se descarga más rápidamente con

una constante de tiempo τ=RC [seg]. A continuación se muestran ejemplos de fuentes de

poder no regulada con filtro capacitivo con distintos valores de impedancia de carga.

Figura 30. Fuente no regulada con filtro capacitivo, con una carga de 95.3 [ohm].


Figura 31. Tensión rectificada para una fuente no regulada con carga de 95.3 [ohm]

Figura 32. Fuente no regulada con filtro capacitivo, con una carga de 154 [ohm].


Figura 33. Tensión rectificada para una fuente no regulada con carga de 154 [ohm]

Se observa que para una carga resistiva de 95.3 [ohm] el ripple es mayor que para

una carga de 154 [ohm].

3.- Determine el factor de potencia de entrada de una fuente de poder no regulada con

rectificador de onda completa y carga resistiva. ¿Qué sucede con el factor de potencia

al conectar un condensador en paralelo a la carga? Justifique.

Idem, a pregunta de investigación.

• 4.- ¿Qué puede ocurrir en una fuente de poder regulada con diodo Zener si se

desconecta la resistencia de carga cuando el circuito esta energizado?

Al desconectar la resistencia de carga, aumenta la corriente que circula por el diodo

Zener debido a que el único camino posible en el circuito. En tal caso el diodo Zener puede

dañarse, al superar sus límites de conducción.

• 5.- Investigar aplicaciones de fuentes reguladas con diodo Zener.

Una de las funciones del diodo Zener es de rectificador, pero la aplicación más

importante es de Regulador. Una fuente regulada con diodo Zener mantiene un voltaje fijo


predeterminado, a su salida, sin importar si varía el voltaje en la fuente de alimentación y

sin importar como varíe la carga que se desea alimentar con este regulador.

• 6.- Investigar valores de voltaje y potencia de diodos Zener disponibles en el

mercado para voltajes menores a 50 [V] (se recomienda revisar distribuidores online

como RS-Chile o Digikey).

A partir de la página web http://www.rschile.cl se encontraron disponibles los

siguientes diodos zener con tensiones menores a 50 [V]:

1.- Diodo Zener 20W BZY93,BZY93C10V

2.-Diodo Zener 20W BZY93,BZY93C12V


4.-Diodo Zener,BZY93C15 5mA Iz 15Vz 20W









13.-Diodo Zener,BZY93C8V2 5mA Iz 8.2Vz 20W

14.-Diodo Zener,BZY93C9V1 9.1Vz 20W

15.-Diodo Zener,BZX284C10 5mA 10V 400mW


17.-Diodo Zener,BZX284C2V7 5mA 2.7V 400mW

18.-Diodo Zener,BZX284C3V0 5mA 3V 400mW

19.-Diodo Zener,BZX284C3V9 5mA 3.9V 400mW


21.-Diodo Zener BZX85 axial,1.3W 43V

6. Pauta de evaluación.

Ítem Máx. Puntaje

Presentación 1.0

Investigación 0.5

Listado de materiales y

equipos

1.0

Descripción de actividades 1.5

Simulaciones 1.0

Diseño y cálculos 1.0

TOTAL

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http://cl.rsdelivers.com/product/magnatec/bzy93c15v-mag/diodo-zener-bzy93c15-5ma-iz-15vz-20w/2265221.aspx






http://cl.rsdelivers.com/product/magnatec/bzy93c33-mag/diodo-zener-bzy93c33-5ma-iz-33vz-20w/2265265.aspx



http://cl.rsdelivers.com/product/magnatec/bzy93c8v2-mag/diodo-zener-bzy93c8v2-5ma-iz-82vz-20w/2265215.aspx

http://cl.rsdelivers.com/product/magnatec/bzy93c9v1/diodo-zener-bzy93c9v1-91vz-20w/0856291.aspx

http://cl.rsdelivers.com/product/nxp/bzx284-c10/diodo-zener-bzx284c10-5ma-10v-400mw/2169735.aspx


http://cl.rsdelivers.com/product/nxp/bzx284-c2v7/diodo-zener-bzx284c2v7-5ma-27v-400mw/2169599.aspx




http://cl.rsdelivers.com/product/magnatec/bzx85c43v/diodo-zener-bzx85-axial-13w-43v/0812617.aspx

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