Circuitos Sujetadores y Recortadores

José Jair Arias Castro

Universidad Autónoma de OccidenteCali – Colombia

jojaaricas@hotmail.com

I. RESUMEN

En el presente informe se pretende demostrar el adecuado comportamiento de elementos en conjunto como diodos, diodos zener, capacitores y resistencias, a través de conocimientos previos basados en el análisis de circuitos para así permitir observar los fenómenos que estos generan frente a diferentes configuraciones que se presentan en nuestra vida cotidiana. Además se enfatiza en reconocer las variables de tensión de salida cuando esta se somete a una configuración de multiplicación de voltaje, y ejercicios basados en recortadores a través de recursos bibliográficos brindados por el docente. No se debe dejar a un lado el papel de la simulación la cual para el desarrollo de esta práctica va a servir como base en la corroboración de resultados.

II. INTRODUCCIÓN

Para el presente informe se pretende resolver variables de acuerdo a circuitos limitadores, y sujetadores, diseñados con anterioridad y basados en referencias bibliográficas, en totalidad se resolvieron tres circuitos: el primero consta de 3 condensadores en conjunto con diodos zener, los cuales cumplen la función de triplicar una tensión dada, para el segundo caso se encuentra un circuito alimentado por una fuente DC de 10 voltios la cual emite pulsos positivos y negativos de tensión, en conjunto con diodos de caída de 0.7 voltios, diodos zener de 2.3 voltios y resistencias de 500, 2k y 1k ohmios, por ultimo para el tercer circuito con referencia bibliográfica se tiene un recortador compuesto por la misma fuente pero en adición un diodo zener anticipado de una resistencia de protección el cual regula el voltaje a cierto valor que se pretende descubrir. Un objetivo de esta práctica es saber la labor que cumplen estos limitadores y sujetadores a la hora de recibir una tipo de señal y limitar el factor de la señal a un valor específico que se pueda requerir. Cabe resaltar la importancia que tiene el diodo zener, este puede usarse en aplicaciones de regulación de voltaje, tal y como se muestra en el circuito de la Figura 1. Esto es posible gracias a que

su voltaje de ruptura es casi constante sobre un amplio intervalo de corrientes de polarización inversa.

III. MARCO TEORICO

Para el buen desarrollo del análisis de circuitos sujetadores y limitadores de tensión se deben tener en cuenta algunos conceptos claves sobre los cuales se van a basar los cálculos.

Multiplicadores de Voltaje

Este tipo de circuito rectificador, se alimenta de una señal alterna, entregando posteriormente una tensión con un gran incremento en DC, esta magnitud es un número entero de veces la amplitud máxima de la señal alterna que los excitó. Los circuitos multiplicadores se componen por lo general de un transformador el cual entrega un valor de tensión de entrada rms, diodos que rectifican la señal y capacitores que cumplen con la labor de filtrado, la tensión que eleva el transformador alimenta a un conjunto de diodos y capacitores, los diodos entran en conducción en algunos de los semiciclos de la señal para cargar a los capacitores es así como en consiguiente los mismos diodos se polarizan posteriormente en inverso para evitar que se descarguen, al final se tiene un conjunto de capacitores cargados con tres veces el voltaje entregado por parte de la señal de entrada que entregan el voltaje en la salida del circuito.

Circuitos sujetadores El circuito conformado con diodos, llamado sujetador o fijador de nivel, se emplea para aumentar o devolver un nivel de dc a una señal eléctrica de llegada. Pueden existir dos tipos de sujetadores, un sujetador positivo y uno negativo.

Sujetador positivo Para el presente caso de sujetador positivo el diodo se polariza en directa con el semi ciclo negativo de la señal lo que permite que el valor se cargue con el nivel de tensión de entrada, en adición con la disminución de 0.7 a cargo del diodo. Por otro lado

para el semi ciclo positivo el capacitor se comporta como una fuente que se suma al voltaje de entrada. Sujetador negativo En este caso el diodo y el capacitor se conectan de forma inversa, obteniendo una salida que desplaza el valor de la tensión a un umbral negativo. Circuito limitador

Primero debemos conocer que un circuito limitador nos permite eliminar o desechar parte de una señal de tensión que entra a un determinado nodo en el circuito, trabajando en conjunto con resistencias y diodos los cuales se encargan de pasar la señal por una rectificación, las ventajas que nos ofrece un limitador es que podemos elegir la señal más conveniente para el funcionamiento de un circuito, es decir tomar señales positivas o solamente negativas, no obstante se sabe que esta misma ventaja la tienen los procesos de rectificación conocidos previamente, de forma que contextualizando el concepto este puede evitar tensiones que podrían ser perjudiciales para el circuito.

IV. ANÁLISIS Y RESULTADOS

Circuito Sujetador

Grafica 1. Representación gráfica del circuito sujetador.

Grafica 2. Simulación en PSpice del circuito sujetador.

En la Grafica 1. Permite observar el circuito sujetador el cual trabaja con corriente alterna. Como este tiene una fuente AC, al circuito le pueden entrar tanto ciclos positivos como ciclos negativos.

V p=12√2V p=16.97 V

En el momento en el que el semi ciclo positivo entra al circuito, el diodo D1 presenta una polarización en directa cargando el condensador C3 con el valor pico de la fuente menos la caída de tensión presente en el diodo polarizado el cual es 0.7v, cuando el condensador C3 se carga, los diodos D2 y D3 polarizados en directa, conducen dando paso a que el condensador C1 quede cargado con el mismo valor de C3 menos la caída de tensión de los dos diodos por los cuales paso1.4V.

C3=16.97−0.7C3=16.27 V

C1=16.97−1.4C1=14.87 V

Ahora bien cuando el semi ciclo negativo interviene en el circuito el diodo D1 va a estar polarizado en inversa, por tanto este elemento no puede conducir, en consiguiente la tensión de C3 llega al nodo del condensador C2 y por diferencia de potencial este se va a cargar con un valor pico de la fuente más el valor de C3 menos la caída existente en el diodo D2 que es 0.7V, cuando C3 queda cargado, la tensión que sale de él es positiva, polarizando el diodo D3 en directa y cargando C1 con el valor de C2 menos la caída de tensión del diodo D3.

Finalmente el condensador C1 va a estar cargado con el valor que adquirió con el semi ciclo positivo más lo que adquirió con la onda negativa, estos resultados se pueden corroborar por medio de la simulación realizada en PSpice Grafica 2.

C2=16.27−0.7+16.97C2=32.54 V

C1=14.87+32.54−0.7C1=46.71 V

Si este circuito se presentara en primera aproximación es decir fuera ideal, se puede decir que el condensador C3 queda cargado con la misma tensión del valor pico proveniente de la fuente, por otro lado el condensador C2 se va a cargar dos veces el valor pico de la fuente y finalmente el condensador C3 tres veces el valor pico de la fuente, pero como se está teniendo en cuenta la segunda aproximación estos valores se ven influenciados por el voltaje de umbral en el que los diodos se activan.

CIRCUITO LIMITADOR 1

Grafica 3. Representación gráfica del primer circuito limitador

Grafica 4. Simulación en Multisim de la primera parte del primer circuito limitador.

En esta segunda parte del laboratorio se tiene un primer circuito limitador con fuente DC de pulso a 10 V la cual emite con una frecuencia de 0.05KHz, el objetivo es que se pueda lograr facilitar los datos obtenidos en el ciclo positivo y en el ciclo negativo y así se presente un correcto funcionamiento del circuito.

Teniendo en cuenta la fuente tal como se muestra la Grafica 1. El diodo D3 polariza en directa y D4 en inversa, conduciendo solo por la primera rama.(Empleando el método de mallas se obtiene lo siguiente:)

10 V−500 i1−0.7 V −2.3 V−1000 i1=0

7 V−1500 i1=0

i1=7 V

1500=4.66∗10−3 A

V R2=4.66∗10−3 A∗1000 Ω

V R2=4.66 V

La tensión total de ésta, sería la tensión de V o.

V o=V R2+V D+V z

V o=4.66 V +0.7 V +2.3 V

V o=7.66 V

Cuando se tiene la fuente de forma invertida como se muestra en la Grafica 1. El diodo D4 polariza en directa y D3 en inversa, conduciendo solo por la segunda rama.(Empleando el método de mallas se obtiene lo siguiente:)

−10 V−500 i2+0.7 V +5.6 V−2000 i2=0

−3.7 V−2500i2=0

i2=3.7 V

−2500=−1.48∗10−3 A

V R3=−1.48∗10−3 A∗2000Ω

V R3=−2.96 V

La tensión total de ésta, sería la tensión de V o.

V o=V R3+V D+V z

V o=−2.96V−0.7 V −5.6 V

V o=−9.26V

Estos valores se pueden corroborar por medio de la representación gráfica realizada en Multisim en la Grafica 2.

CIRCUITO LIMITADOR 2

Grafica 5. Representación gráfica del segundo circuito limitador.

Grafica 6. Simulación en Multisim de la primera parte del segundo circuito limitador.

En este último circuito limitador se presenta el mismo fenómeno observado anteriormente el cual depende de la fuente de pulso de 10 V DC.

Cuando se emite el pulso positivo, el diodo D2 presenta una polarización en inversa quedando abierto y finalmente quedando solo la malla externa del circuito teniendo en cuenta que el diodo zener debe de tener 3V.(Empleando el método de mallas se obtiene lo siguiente:)

10 V−10 0 00 i1+3V −100 0 0 i1=0

7 V−20000 i1=0

i1=7 V

−20 000=0.35∗10−3 A

V R2=0.35∗10−3 A∗10000 ΩV R2=3.5 V

Cuando la fuente esta invertida a comparación como se muestra en la Grafica 6. El diodo D2 se polariza en directa, dando como resultado el mismo circuito de la Grafica 6. Como el diodo se polarizo en directa, éste estaría en paralelo con la resistencia y V o, como estos están en paralelo, V o Tiene la

misma tensión de la caída del diodo.V o=−0.7 V

V. CONCLUSIONES

El desarrollo de la practica fue el adecuado ya que se presenta coherencia entre los resultados calculados y los obtenidos en la simulación, de la misma forma se puede afirmar que los circuitos sujetadores cumplen con la función de mantener el valor de la tensión, y si agrupamos de manera adecuada distintos factores y elementos en conjuntos, podemos utilizar esa restricción para aumentar la tensión respecto a un valor pico dado por la fuente.

Por otro lado respecto a los circuitos recortadores el comportamiento es el indicado y se tiene una visualización clara del fenómeno que estos generan hacia la fuente de entrada, es claro que se reduce el nivel de entrada debido a la regulación del diodo zener, y que según los ciclos de la señal el circuito presentara un voltaje determinado de salida en cada configuración.

Se utilizaron dos tipos de simuladores ya que en el programa PSpice licenciado por la universidad no cuenta con las librerías requeridas para la simulación de los circuitos recortadores, es así como se optó por escoger una herramienta similar como lo es Multisim. Cabe aclarar que a pesar de que los simuladores sean distintos y tengan diferentes métodos para obtener resultados, no afectó la práctica.

VI. CAUSAS DE ERROR

Se puede decir que las causas de error tienen una gran posibilidad de aparecer en la aproximación de resultados, o la toma de cifras significativas, es válido afirmar que la variación de simulador no afecto el desarrollo de la práctica, ya que se obtuvieron resultados similares y el comportamiento adecuado corroborado por la teoría.

VII. BIBLIOGRAFIA

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ed., M. M. Romo, Ed. Madrid 2005.

W. H. Hayt, Jr., J. E. Kemmerly, S. M. Durbin, Análisis de circuitos en ingeniería, 6a ed., F. H. Carrasco, Ed.

México, D.F. 2003

MALVINO, Albert P. Principios de Electrónica, Editorial McGraw-Hill, 6ª Edición, 2000.

FLOYD, Thomas. Dispositivos Electrónicos, 8ª. Edición, Editorial Pearson.