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UNIVERSIDAD SANTIAGO DE CALI
FACULTAD INGENIERIAS
PROGRAMA DE BIOINGENIERIA
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
Profesor: MSc. JAVIER A. MURILLO M.
IV. CIRCUTOS CON DIODOS
4.1.CONFIGURACION DE DIODOS EN SERIE CON ENTRADAS EN DC
En esta sección utilizaremos el modelo aproximado del diodo para analizar diversas
configuraciones de diodos en serie.
En cada configuración se debe determinar, el estado de cada diodo. Cuáles diodos se
encuentran encendidos y cuáles apagados? Una vez determinado esto se analiza la
red.
En
general
un
diodo
se
encuentra
encendido si la corriente establecida por las
fuentes aplicadas es tal que su dirección
concuerda con el de la flecha del símbolo
del diodo y además
silicio y
Para
la
para el de
para el de germanio.
configuración
se
remplazan
mentalmente los diodos con elementos resistivos y se observa la dirección de la
corriente resultante como la establecida por
los voltajes aplicados, si la dirección de la
corriente resultante coincide con la dirección
de la flecha del diodo, la conducción del
dispositivo es inminente y ocurrirá siempre y
cuando se encuentre el diodo encendido.
No olvidemos que el diodo se encuentra
encendido, si se da una caída de tención
de
para el de silicio y
.
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La dirección de la corriente I coincide con la dirección del diodo y además
,
entonces el diodo se encuentra en estado “encendido”. Podemos dibujar
nuevamente la red y quedaría como se muestra en la figura anterior. Deducimos
fácilmente que
Pero
.
, entonces
Qué ocurre si el diodo se coloca ahora en inversa (a)?
(a)
(b)
(c)
Mentalmente se reemplaza el diodo por un elemento resistivo, se revela que la
corriente no coincide con la dirección del diodo (b). El diodo está en etapa de
“apagado”, lo que da como resultado la figura (c). Debido al circuito abierto, la
corriente por el diodo es de
. El voltaje en la resistencia será de
. El circuito se
puede redibujar mentalmente de manera reemplazando el diodo por un resistor. para
el de germanio Si el diodo se encuentra encendido, se puede dar la caída de
a
través del elemento o se puede redibujar el circuito como se ve en la figura de la
derecha.
Ejemplo 1
Para la configuración de diodo en serie de la
figura, determine
e
.
Solución:
La fuente establece una corriente en la
dirección del diodo además
el diodo
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conduce, entonces
,
y
.
Ejemplo 2
Repita el problema anterior pero con el dio invertido.
Respuesta:
Al remover mentalmente el diodo, nos
damos cuenta que la corriente se
encuentra en sentido opuesto a la flecha
del diodo. El diodo no conduce. Por
tanto
debido al circuito abierto.
. Como
, entonces
, entonces
.
Ejemplo 3
Determine
e
Para el circuito de la figura.
Solución:
Usando un procedimiento similar al usado en
los problemas anteriores, hacen que se nos
presente
un
circuito
donde
cambiamos
mentalmente los diodos por resistores y
llegamos a la conclusión que los diodos
conducen. Tener los dos diodos con tal
polarización hace equivaler a tener una fuente
de
por que los voltajes de los diodos se
suman. En este caso tendríamos:
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Para la corriente tendríamos:
Ejemplo 4
Determine
y
, para el circuito de la figura
de la derecha.
Solución:
Eliminamos los
diodos y al determinar la dirección de la
corriente , el resultado será el circuito de la
figura de la izquierda. La corriente es contraria a
uno de los diodos. Hay uno que conduce y otro
no.
Fácilmente se puede observar que
Si
, entonces
.
. Por lo tanto
y
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4.2.CONFIGURACIONES DE DIODOS EN PARALELO CON ENTRADAS
EN DC.
Los métodos explicados en el apartado anterior se pueden extender al análisis de
las configuraciones en paralelo y en serie-paralelo. Para cada área de aplicación,
simplemente se hacen coincidir
las series secuenciales de los
pasos aplicados anteriormente.
Ejemplo 1:
Determine
para
la configuración del diodo en
paralelo de la figura.
Solución:
Se aplicó un voltaje para poder
establecer una corriente a través de cada diodo y en la dirección de los mismos.
Dado que la dirección de las corrientes coincide con los mismos, y que el voltaje
aplicado es mayor a
, ambos diodos se encuentran en conducción. El
voltaje a través de los elementos en paralelo es de 0.7V, por tanto,
La corriente
sería:
Si consideramos que cada diodo es de
características similares, entonces la
corriente que circula por cada uno de
ellos sería igual.
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Ejemplo 2:
Determine la corriente I para la red de la
figura.
Solución:
Al dibujar nuevamente la red como se
muestra en la figura, se puede observar la
dirección de la corriente. Es fácil entender
que hay un diodo polarizado en inversa y
otro polarizado en directa. El diodo
no
conduce mientras que el diodo
sí
conduce. La corriente resultante I es
entonces:
Ejemplo 3:
Determine las corrientes
, de la
figura.
Solución:
El voltaje aplicado es tal que puede
producir una corriente que pasa por los
dos diodos. Se puede observar que la corriente tiene el mismo sentido de los
diodos y además el voltaje de la fuente es mayo al voltaje de los diodos. Por lo
tanto los diodos conducen. El diodo
resistencia
se encuentra en paralelo con la
por lo tanto en dicha resistencia debe caer el voltaje del diodo, es
decir 0.7V. La corriente
será igual a:
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Conocido el voltaje en
, podemos determinar el voltaje en
así:
Con lo que
De esta manera la corriente
serás
igual a:
4.3. ENTRADAS SENOIDALES.
RECTIFICACIÓN DE MEDIA ONDA
En la Figura se muestra el sistema de diagrama de bloques de un circuito de
potencia (circuito fuente). Generalmente un circuito alimentador se compone de un
transformador fuente, un circuito rectificador y un circuito filtro. El transformador
convierte la tensión alta AC en corriente más baja AC. El circuito rectificador
convierte esta baja corriente AC en corriente pulsante DC. Por lo general el
rectificador
se
puede
dividir en rectificador de
media onda, de onda
completa y rectificador
de
puente.
Estas
tensiones pulsantes DC
se
como
pueden
convertir
tensión
DC
mediante el circuito filtro.
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4.3.1. Transformador de potencia
Para la mayoría de los instrumentos electrónicos, la tensión de la red es demasiado
alta. Esta es la razón por la cual los instrumentos electrónicos tienen incorporado un
transformador, que reducen de manera adecuada la tensión AC a tensiones más
bajas para que funcionen los diodos y transistores.
La Figura muestra un ejemplo de un
transformador. El arrollado o bobina de la
derecha se le llama arrollado primario, y al
de la izquierda se le llama arrollado
secundario. La cantidad de vueltas del
arrollado primario se le denomina como N1, y al del secundario como N2. Las
líneas verticales entre las dos bobinas indican que éstas están arrolladas alrededor de
un núcleo.
Para este tipo de transformador, el coeficiente de acoplamiento es cercano a 1, lo
que significa que es un acoplamiento muy ajustado; en otras palabras, el flujo
inducido por la bobina primaria cruza totalmente a la bobina secundaria.
La tensión inducida en la bobina secundaria es
En la Figura se aprecia una resistencia de
carga conectada en el secundario. Como
hay tensión inducida en la bobina
secundaria, existe también una carga de
corriente. Si fuese un transformador
ideal (K = 1), y si no hubiera pérdida de potencia en las bobinas y el núcleo, entonces
la potencia de salida sería igual a la potencia de entrada:
con lo que
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La ecuación anterior se puede cambiar como
obtener fácilmente
y como
, se puede
.
Ejemplo 1:
Se tiene un transformador para reducir tensión cuya relación de vueltas es de 4:1. Si
la tensión en la bobina primaria es de 120 Vrms, ¿Cuál es la tensión en la bobina
secundaria?
Dividiendo la tensión en la bobina primaria entre 4 se obtiene la tensión en la
bobina secundaria:
Ejemplo 2:
Se tiene un transformador para reducir tensión cuya relación de vueltas es
de 4:1. Si la tensión en la bobina secundaria es 1 A raíz mínima cuadrática,
¿cuál es la corriente en el primario?
Según la ecuación
tenemos que
4.3.2. Circuito Rectificador de Media Onda
Sabemos que un diodo es conductor solamente en una dirección. Utilizando esta
característica podemos diseñar un circuito rectificador, que lo llamamos circuito
rectificador de media onda.
Con la Figura siguiente se describe el principio de operación de uno de estos
circuitos. La Figura (a) muestra que una fuente de CA pasa por el diodo y luego se
conecta a la resistencia de carga. Analicemos la forma en que la tensión cambia
durante un ciclo.
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Cuando la onda senoidal es la media señal positiva, el diodo se encuentra bajo
polarización directa. Generará la corriente para cargar la resistencia, como se
aprecia en la Figura (b). La corriente inducirá la caída de tensión en la resistencia de
carga, y esta caída será la misma que la mitad positiva de la señal de entrada.
(a) Circuito rectificador de media onda
(b) Medio ciclo positivo
( c ) Medio ciclo negativo
(d) Ondas de salida del circuito rectificador de media onda
Operación del circuito rectificador de media onda, donde el diodo se considera como un diodo ideal.
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Cuando la señal de entrada se encuentra en el medio ciclo negativo, no hay corriente
circulando a través del diodo porque está bajo polarización negativa. Por lo tanto, la
caída de tensión en la resistencia de carga es de 0V, como se muestra en la Figura
(c). Finalmente, la tensión en la resistencia de carga RL será únicamente la mitad
positiva del ciclo de entrada de la tensión AC. El resultado será la tensión pulsante
de CD como se ve en la Figura (d), que es el resultado del rectificador de media
onda.
4.3.2.1. Periodo
La frecuencia de la señal de media onda es igual a la frecuencia AC de 60
Hz. El Periodo es el recíproco de la frecuencia; y por lo tanto el periodo de la
señal de media onda es:
Este es el tiempo que transcurre desde el inicio del medio ciclo positivo
hasta el inicio del siguiente medio ciclo positivo. Cuando se usa el
osciloscopio para ver la señal de media onda, se sabe cómo medir el periodo
T.
4.3.2.2.Valor DC o valor promedio
Si se conecta un voltímetro de DC en la resistencia de carga, como en la
figura, indicará la tensión de
, que se puede escribir como:
Vdc = 0.318 Vm
Donde Vm es la tensión pico de la señal de media onda en la resistencia de
carga RL. Por ejemplo, si la tensión de pico es de 34 V, entonces el
voltímetro DC dará una lectura de:
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Vdc = 0.318 (34V) = 10.8 V
Esta tensión DC a veces se le llama valor promedio de la señal de media
onda, debido a que el valor leído en el voltímetro es el valor promediado de
todo el ciclo.
Valor promedio de la salida del rectificador de media onda
Ejemplo 1:
¿Cuál es el valor DC
promedio de la onda
de
tensión
Figura
en
de
la
un
rectificador de media
onda?
Vdc = 0.318 Vm = 0.318 x 100V = 31.8 V.
4.3.3. Circuito Rectificador de Onda Completa
La salida central del transformador
que se muestra en la Figura sirve para
conectar dos diodos con el arrollado
secundario del transformador. Las
señales
de
salida
provienen
del
acoplamiento del transformador al
arrollado secundario de la salida
central del transformador.
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En la Figura (a) se muestra la polaridad de la bobina secundaria cuando la tensión
de entrada se encuentra en la mitad positiva del ciclo. En esta condición, el diodo
superior D1 está con polaridad directa, y el de abajo, D2, con polaridad inversa. La
corriente fluye a través de D1 y de la resistencia de carga RL según la dirección de la
flecha.
En la Figura (b) se muestra la polaridad de la bobina secundaria cuando la tensión
de entrada se encuentra en la mitad negativa del ciclo. En esta condición, el diodo
superior D1 está con polaridad inversa, y el de abajo, D2, con polaridad directa. La
corriente fluye a través de D2 y de la resistencia de carga RL según la dirección de la
flecha.
Para los medios ciclos positivo y negativo de un ciclo completo de entrada, la
corriente de salida fluye a través de la resistencia de carga RL siempre en la misma
dirección. Por lo tanto, la tensión en la resistencia de carga R L es la tensión DC del
rectificador de onda completa.
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La figura anterior muestra la operación básica de un circuito rectificador de onda
completa en derivación central del transformador. Nota: La corriente que fluye por
la resistencia de carga va siempre en la misma dirección durante todo el ciclo de
entrada.
4.3.3.1.Periodo
La
frecuencia
del
rectificador de onda
completa
es
dos
veces la frecuencia
de
la
tensión
de
entrada AC. En la Figura, las ondas del rectificador se repiten después de la
mitad de la tensión primaria.
Aquí, el periodo de la tensión AC es:
Por lo tanto, el periodo de la tensión en la resistencia de carga
es:
La frecuencia de la tensión en la resistencia de carga RL es:
Esto significa que la frecuencia de salida (out) es dos veces la frecuencia de
entrada (in). En forma simbólica, se expresa:
fout = 2 fin
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4.3.3.2. Valor DC o valor promedio
Si se conecta un voltímetro de DC en la resistencia de carga, como en la
Figura, indicará la tensión de 2Vm / DC, que se puede escribir como:
Vdc = 0.636 Vm
donde Vm es la tensión pico de la señal de onda completa en la resistencia de
carga RL. Por ejemplo, si la tensión de pico es de 17 V, entonces el
voltímetro DC dará una lectura de:
Vdc = (0.636) (17V) = 10.8 V
Esta tensión DC a veces se le llama valor promedio de la señal de onda
completa, debido a que el valor leído en el voltímetro es el valor promediado
de todo el ciclo.
Valor promedio de señal de salida de rectificador de onda completa
Ejemplo:
Si un rectificador de onda completa tiene una tensión de entrada de 240Vrms
y una frecuencia de 50 Hz, y la relación de vueltas para la reducción de
tensión es de 8:1, ¿cuál es la carga de la tensión? ¿Cuál es la frecuencia de
salida?
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La tensión pico primaria es:
La tensión pico secundaria es:
La tensión de carga es:
La frecuencia de salida es:
4.3.4. Circuito Rectificador de Media Onda
En el circuito puente rectificador de onda completa hay cuatro diodos, como se
muestra en la Figura. .
Circuito rectificador puente de onda completa
En la Rectificación de onda media se analizan algunas maneras de reducir el rizado
o la variación de la tensión en una tensión directa rectificada. Uno de estos métodos
es utilizar cada semiciclo de tensión de entrada en lugar de otro semiciclo.
El circuito que permite el uso de este método es el de la Figura anterior y recibe el
nombre de circuito rectificador con puente de diodos.
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Durante el semiciclo positivo de la fuente, 'A' es más positiva que 'B', por lo tanto,
los diodos D1 y D2 conducen mientras que los diodos D3 y D4 están polarizados
inversamente. La dirección en que circula la corriente se ve en la Figura.
Semiciclo Positivo
Durante el semiciclo negativo la corriente circula en la dirección que se muestra en
la Figura. En cada caso, durante la carga la corriente circula en la misma dirección.
Semiciclo Negativo
En la realidad este componente es pequeño como un cubo o como un cilindro como
se ve en la Figura. También usted puede observar el símbolo del componente.
Rectificador con Puente de diodos
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Ejercicios:
1. Determine la corriente y el voltaje en el
diodo de la figura.
2. Si el diodo es de germanio, cu{al será la
corriente por la resistencia?
3. Determine la corriente I en cada circuito de la figura:
4. Determine
e
5. Determine
para cada red de la figura
6. Calcule
e
para las redes de la figura.
:
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7. Determine voltaje y corriente en
cada elemento de la figura.
8. Si El diodo de germanio se cambia
por uno de silicio, cambia en algo
la respuesta?
9. Determine la corriente en cada rama del circuito.
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10. Se tiene un transformador para reducir tensión cuya relación de vueltas es de
5:3. Si la tensión en la bobina primaria es de 110 Vrms, ¿Cuál es la tensión en la
bobina secundaria?
11. Se tiene un transformador para reducir tensión cuya relación de vueltas
es de 7:2. Si la tensión en la bobina secundaria es
cuadrática, ¿cuál es la corriente en el primario?
12. Dibuje la forma de las ondas de salida del circuito de la Figura
13. Responda a las siguientes preguntas basadas en la Figura:
a. ¿Qué tipo de circuito es?
b. ¿Cuál es la tensión pico para
la bobina secundaria?
c. ¿Cuál es la tensión pico en
cada lado de las bobinas
secundarias?
d. Dibuje la forma de la onda de la tensión en RL
e. Dibuje la tensión pico que fluye a través de cada diodo.
14. Dibuje la forma de la onda de salida de tensión de la Fig. 13.28
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raíz mínima
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15. En la Figura, de acuerdo con las escalas que se muestran en los instrumentos de
medición, determine si el circuito puede o no puede funcionar. Si hay algo
anormal, explique la posible falla.
16. De los valores de la Figura, trate de encontrar dónde está la falla, y ¿por qué?
17. Si un rectificador de onda completa tiene una tensión de entrada de 210Vrms y
una frecuencia de 60 Hz, y la relación de vueltas para la reducción de tensión es
de 7:2, ¿cuál es la carga de la tensión? ¿Cuál es la frecuencia de salida?
18. Resuelva el problema anterior suponiendo que el rectificador es de media onda.
19. Un transformador tiene una relación de espiras de 6:1, cuál es la tensión eficaz
en el secundario?. Cuál es la tensión de pico en el secundario?. Suponga que la
tensión del primario es
.
20. Si un transformador tiene una relación de espiras de 1:12, cuál es la tensión
eficaz en el secundario?. Cuál es la tensión de pico en el secundario? Suponga
que la tensión del primario es
.
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