RECTIFICACIÓN DE LA CORRIENTE ALTERNA (C.A.) EMPLEANDO SEMICONDUCTORES DIODOS

La rectificación de una corriente alterna (C.A.) para convertirla en corriente directa (C.D.) —denominada. también corriente continua (C.C.)— es una de las tecnologías más antiguas empleadas en los circuitos electrónicos desde principios del siglo pasado, incluso antes que existieran los elementos semiconductores de estado sólido, como los diodos de silicio que conocemos en la actualidad. Puesto que los diodos permiten el paso de la corriente eléctrica en una dirección y lo impiden en la dirección contraria, se han empleado también durante muchos años en la detección de señales de alta frecuencia, como las de radiodifusión, para convertirlas en audibles en los receptores de radio. En la actualidad varios tipos de diodos de construcción especial pueden realizar otras funciones diferentes a la simple rectificación o detección de la corriente cuando se instalan en los circuitos electrónicos. Funcionamiento de un diodo rectificador común de media onda Para comprender mejor la forma en que funciona un semiconductor diodo, es necesario recordar primero que la corriente alterna (C.A.) circula por el circuito eléctrico formando una sinusoide, en la que medio ciclo posee polaridad positiva mientras y el otro medio ciclo posee polaridad negativa. Es decir, cuando una corriente alterna circula por un circuito eléctrico cerrado su polaridad cambia constantemente tantas veces como ciclos o hertz por segundo de frecuencia posea. En el caso de la corriente alterna que llega a nuestros hogares la frecuencia puede ser de 50 o de 60 ciclos en dependencia del sistema que haya adoptado cada país en cuestión. En Europa la frecuencia adoptada es de 50 ciclos y de 60 ciclos en la mayor parte de los países de América (Ver tabla de frecuencia de la corriente por países y los respectivos voltajes).

Animación de un circuito rectificador simple de media onda, compuesto por un solo diodo.

En la animación de arriba se puede apreciar que en el proceso de rectificación de la corriente alterna (C.A.) utilizando un solo diodo, durante un primer medio ciclo negativo los electrones circularán por el circuito atravesando primero el diodo y a continuación el consumidor o carga eléctrica, representado por una resistencia (R). En ese instante, en los extremos de la resistencia se podrá detectar una corriente directa "pulsante" que responde a ese medio ciclo. En el medio ciclo siguiente (esta vez positivo), los electrones cambiarán su sentido de circulación y no podrán atravesar ni la resistencia, ni el semiconductor diodo, porque en ese instante el camino estará bloqueado por el terminal positivo del diodo y no habrá circulación de corriente por el circuito. A continuación y durante el medio ciclo siguiente negativo, de nuevo el diodo vuelve a permitir el paso de los electrones, para bloquearlo nuevamente al cambiar la corriente el sentido de circulación y así sucesivamente mientras se continúe suministrándole corriente al diodo. Por tanto, durante cada medio ciclo negativo de una fuente de corriente alterna (C.A.) conectada a un diodo se registra una polaridad fija en los extremos de un consumidor conectado al circuito de salida del propio diodo, mientras que durante el siguiente medio ciclo positivo no aparecerá polaridad alguna debido al bloqueo que ofrece el propio diodo al paso de los electrones en sentido inverso. De esa forma, a través del consumidor circulará una corriente pulsante, pues en este caso el diodo actúa como un rectificador de corriente alterna de media onda. Funcionamiento de los diodos rectificadores de onda completa Cuando un circuito eléctrico o electrónico requiere de una corriente directa que no sea pulsante, sino mucho más lineal que la que permite un simple rectificador de media onda, es posible combinar de dos a cuatro diodos rectificadores de forma tal que la resultante sea una corriente directa (C.D.) con menos oscilaciones residuales.

La estructura más usual para obtener un puente rectificador de "onda completa" es la compuesta por cuatro diodos conectados de forma conveniente. Sin embargo, en algunos casos se obtiene un efecto similar conectando solamente dos diodos, empleando como fuente de suministro de corriente alterna (C.A.) un transformador con una derivación en el centro del enrollado secundario. Esa derivacióncentral permite alimentar por igual a cada uno de los diodos gracias a su simetría en contrafase que hace  posible  que el

punto medio del enrollado sea siempre el polo negativo mientras el polo positivo cambia en  sus  extremos cada medio ciclo de frecuencia alterna de la corriente aplicada al circuito.  Sin  embargo,  a la  salida  del circuito rectificador se obtiene una corriente directa (C.D.) de onda completa.

Animación del funcionamiento de un circuito rectificador de corriente alterna de onda completa compuesto por dos diodos de silicio.

No obstante, la mayoría de los circuitos eléctricos o electrónicos que funcionan con corriente directa (C.D.), emplean rectificadores de onda completa compuestos por cuatro diodos. A continuación se ilustran tres formas de esquematizar en un diagrama la conexión de esos cuatro diodos para obtener un rectificador de onda completa. Diferentes formas de representar esquemáticamente un mismo puente rectificador de onda completa integrado por cuatro diodos, aunque la figura de la izquierda es la forma más común de representarlo.   Un puente rectificador de cuatro diodos funciona de la siguiente forma: como se puede observar en la parte (A) de la ilustración, durante el primer medio ciclo negativo (–) de la corriente que proporciona la fuente de suministro alterna (C.A.) conectada al puente rectificador, los electrones atraviesan primero el diodo (1), seguidamente el consumidor (R) y después el diodo (2) para completar así la circulación de la corriente de electrones por una mitad del circuito correspondiente al puente rectificador. Como aclaración, al llegar los electrones en su recorrido al punto de conexión (a), no pueden atravesar el diodo (4) porque, de acuerdo con la colocación que éste ocupa en el circuito, bloqueará o impedirá la circulación de los electrones en ese sentido. Una vez que los electrones continúan su recorrido, al llegar al punto de conexión (b), tampoco pueden atravesar el diodo (4), porque la corriente de electrones nunca circula en dirección a su propio encuentro (de forma similar a como ocurre con la corriente de agua en un río), sino que siempre se mueve en dirección al polo opuesto de la fuente de suministro que le proporciona la energía eléctrica, o sea, el polo positivo de la corriente alterna (C.A.) en este caso. En la parte (B) de la ilustración podemos ver que la corriente alterna cambia la polaridad y, por tanto, el sentido de circulación de los electrones. En esta ocasión, los electrones atraviesan primeramente el diodo (3), a continuación atraviesan el consumidor (R) y, por último, el diodo (4) para retornar a la fuente de suministro eléctrico y completar así el circuito. De forma similar a lo ocurrido en el ciclo anterior, ahora el diodo (1) es el encargado de bloquearle el paso a los electrones para que se puedan dirigir en dirección al consumidor (R), mientras que el diodo (2) tampoco pueden atravesarlo los electrones, porque no pueden ir a su propio encuentro, tal como ocurre en el medio ciclo anterior. Animación del funcionamiento del rectificador de onda completa o puente rectificador, compuesto por cuatro diodos. Como se habrá podido apreciar, tanto en el primer medio ciclo, como en el siguiente, los signos de polaridad positiva (+) y negativa (–) a la salida del circuito del puente de rectificación donde se encuentra conectado el consumidor (R), se mantiene constante, pues una vez rectificada la corriente alterna (C.A.) y convertida en directa (C.D.) las polaridades no sufren variación alguna como ocurre con la corriente alterna a la entrada del circuito. En esa ilustración se puede ver también que a la salida del circuito de rectificación se obtienen una serie de pulsaciones continuas, es decir, no intermitentes como ocurre cuando se emplea un solo diodo rectificador en un circuito de media onda.

ENCAPSULADOS DIFERENTES DE LOS DIODOS

En dependencia de la tensión o voltaje que soportan, la intensidad de la corriente de trabajo, la función específica que tendrán asignada dentro de un circuito electrónico y la potencia que disipan en watt, los diodos se comercializan con diferentes tipos de encapsulados. Además, un diodo específico puede tener tamaño y características de trabajo diferentes, así como diferente forma de encapsulado.

En esta ilustración aparecen varios diodos de características y usos. diferentes y con encapsulados también diferentes. El tipo de encapsulado de estos diodos se identifica con las. siguientes. siglas: 1.- DO35, 2.- DO-41, 3.- SOD-57, 4.- TO-3, 5.- TO-48, 6.- SOD-23, 7.- KBL, 8.- WOW. Además  de  estos  ejemplos  existen  muchos. tipos más de. encapsulados.

 

Muestra de dos diodos rectificadores de silicio de diferentes características y encapsulados también diferentes, ambos comparados con un céntimo de euro. El diodo de arriba, de menor tamaño, puede soportar una  corriente  de 1 ampere y trabajar con un voltaje de 1000 volt. A ese diodo le corresponde un encapsulado DO-41. El diodo de abajo, de mayor tamaño, puede soportar una corriente de 10 ampere y trabajar, igualmente, con un voltaje de 1000 volt, pero a diferencia del anterior  a  éste  le  corresponde  un  encapsulado R-6.

 

Existen también componentes miniaturizados para montar directamente sobre circuitos impresos, denominados “SMD” (Surface Mount Device – Dispositivo de montaje en superficie). Entre esos componentes podemos encontrar, igualmentle, diodos de silicio como los que aparecen en la foto de la izquierda identificados como D7 y D8. Nótese los pocos milímetros que poseen tanto esos dos diodos como el resto de los componentes que le acompañan [capacitores (C) y resistencias (R)].

POLARIZACIÓN DEL DIODO

Diodo polarizado directamente Los diodos semiconductores, al igual que ocurría con las antiguas válvulas termoiónicas, actúan de forma similar al funcionamiento de una válvula hidráulica del tipo antirretorno.

Válvula antirretorno. La flecha estampada en su cuerpo metálico. indica el único sentido en que puede circular el fluido cuando se. conecta a un circuito hidráulico. Arriba la flecha azul identificada. como “A” señala el sentido de circulación permitido. Abajo la. flecha  roja  identificada  como  “B”  muestra  que  si  el  fluido.  hidráulico una vez que ha pasado a la parte izquierda de la válvula. intenta ir hacia atrás por el mismo camino, no podrá hacerlo porque. en ese sentido contrario al normal se encontrará bloqueada la. entrada de la válvula.

 

Cuando se instala una válvula antirretorno en un circuito hidráulico, el fluido sólo puede circular en un sentido, porque se bloquea en sentido inverso, ya que en ese caso su mecanismo interno se cierra automáticamente. De forma similar, para que la corriente eléctrica pueda fluir a través de un diodo, es necesario polarizarlo “directamente”. Para ello el polo negativo (–) de la batería o fuente de fuerza electromotriz se conecta al cátodo “K” o parte negativa (N) del diodo, mientras que el polo positivo (+) de la propia batería se conecta al ánodo “A” o parte positiva (P) del propio diodo.

En la parte superior de esta figura se representa el esquema de un. diodo energizado en “polarización directa”. Como se puede. observar, el polo negativo (–) de la batería se encuentra conectado. al cátodo “K” y el polo positivo (+) al ánodo “A” del diodo. Esta. conexión permite que la corriente de electrones que suministra la. batería  o  fuente  de  fuerza  electromotriz  pueda  circular  en  el. sentido que indican las flechas. En la parte de abajo  de  la  figura,. se  muestra  un  símil  hidráulico,  que  emplea  una  “válvula. antirretorno” con el paso abierto para que el fluido hidráulico pueda. así circular. Se puede observar que el fluido (representado por las. flechas de color rojo) atraviesa la válvula circulando  en  el  sentido. en el que la bola que sirve de compuerta a la válvula se abre. Así,. una vez que la presión del propio fluido hidráulico vence la fuerza. que ejerce el muelle sobre la bola, ésta cede y el líquido puede fluir. libremente. De forma similar en el circuito eléctrico de un diodo. polarizado de  forma  directa,  la  corriente  también  puede  fluir  a. través de mismo en un solo sentido.

Cuando polarizamos un diodo de forma directa, el polo positivo de la batería rechaza los huecos o agujeros contenidos en la región "P" (ánodo del diodo), y los obliga a dirigirse al empalme "p-n". En esas condiciones, la “zona de deplexión” se reduce por completo, por lo que los electrones en exceso en el material negativo o cátodo adquieren la suficiente energía como para poder atravesar la barrera de potencial existente en el empalme "p-n". De esa forma los electrones penetran en la región "P" de la parte positiva del diodo para combinarse ahí con los huecos o agujeros. Al mismo tiempo la atracción que ejerce el polo positivo de la batería sobre los electrones (negativos) provoca que estos salten o se desplacen de hueco en hueco a través de esa mitad del diodo y recorran toda la región semiconductora "P". Así, los electrones que cede la batería o fuente de energía eléctrica a partir de su polo negativo (–), retornan a su polo positivo (+) después de atravesar el diodo. De esa manera se restablece el equilibrio electrónico interno de la propia batería, el cual se ve continuamente alterado durante todo el tiempo que se encuentre conectada al circuito cediendo electrones a la región “N” del diodo.

En la ilustración “A” se puede ver un circuito electrónico formado por un diodo de silicio (1), una pila o. batería (2), una lámpara LED en función de consumidor (3), un interruptor (4) y un miliamperímetro (5).. Como todavía el circuito se encuentra abierto (no se ha accionado el interruptor), la corriente eléctrica no. circula. En la ilustración "B" se ha accionado el interruptor y, de acuerdo con polaridad de la batería, el. diodo se polariza de forma directa permitiendo el paso de la corriente a través del circuito, por lo que la. lámpara LED se enciende y la aguja del miliamperímetro se mueve indicando que la corriente eléctrica. está circulando. En la ilustración “C” se ha cambiado la conexión de la batería en el  circuito, por  tanto. la polaridad también queda invertida. En esta ocasión, aunque el interruptor se accione, se puede. observar que la lámpara LED no se enciende y la aguja del miliamperímetro no muestra circulación de. corriente eléctrica alguna (se mantiene indicando “0” mA), pues al haberse cambiado la polaridad de la. batería el diodo se polariza de forma inversa impidiendo que la corriente eléctrica circule por el circuito.. El efecto que se obtiene es el mismo que si no se hubiera accionado el interruptor.

En resumen, el movimiento de los electrones desplazándose desde la parte negativa del diodo para recombinarse con los huecos en la parte positiva después de atravesar el empalme "p-n" o barrera de potencial, permite que la corriente electrónica fluya a través del mismo, siempre y cuando se encuentre polarizado directamente. Si bajo esas condiciones conectamos un miliamperímetro y un consumidor al circuito del diodo, se podrá apreciar que el instrumento de medición registra la circulación de corriente eléctrica. Diodo polarizado inversamente

En la parte de arriba de esta figura se  representa  el  esquema  de. un diodo energizado en “polarización inversa”. Como se puede. observar, el polo positivo de la batería se encuentra conectado al. cátodo “K” y el polo negativo al ánodo “A”. Esta conexión impide que la corriente de electrones que suministra. la batería u otra fuente de fuerza electromotriz pueda circular en el. sentido que indican las flechas y atravesar el diodo, por lo  que  no.. se puede completar el circuito eléctrico. En la parte de abajo de la ilustración se muestra el esquema de. una  “válvula  hidráulica  antirretorno”  cerrada.  Aquí  se  puede. observar que el  fluido  hidráulico  (representado  por  la  flecha  de. color  rojo)  no  puede  atravesar  la  válvula  si  intenta  circular en. sentido  inverso,  debido a la presión que ejerce  el  muelle  sobre la.

bola y la propia presión que ejerce también el fluido hidráulico sobre ésta, lo que provoca el cierre. completo de la abertura de entrada. De forma similar un diodo polarizado de forma inversa impide que la. corriente eléctrica pueda fluir en sentido contrario, por lo que no puede atravesarlo, ni completarse. tampoco la circulación de corriente a través del circuito.

FORMACIÓN DE UN DIODO DE SILICIO DE UNIÓN "p-n" En el mismo momento que un cristal semiconductor de silicio (Si) de conducción “tipo-p” (positivo) se pone en contacto con otro cristal semiconductor también de silicio, pero de conducción “tipo-n” (negativo), se crea un diodo de empalme o de unión “p-n”. Si al diodo así formado le conectamos una fuente de corriente eléctrica, éste reacciona de forma diferente a como ocurre con cada una de las dos partes semiconductoras por separado, tal como se pudo ver en el ejemplo anterior. Representación gráfica de las dos  partes  que  componen. un diodo de silicio de unión p-n: a la izquierda la parte. positiva (P) y a la derecha la negativa (N). En la ilustración. se puede apreciar la “zona de deplexión” que se forma. alrededor del punto donde se unen los dos cristales. semiconductores de diferente polaridad. El punto de unión. p-n de los dos cristales se denomina “barrera de potencial. del diodo”. En el punto de unión p-n de las dos piezas semiconductoras de diferente polaridad que forman el diodo, se crea una “barrera de potencial”, cuya misión es impedir que los electrones libres concentrados en la parte negativa salten a la parte positiva para unirse con los huecos presentes en esa parte del semiconductor. Hasta tanto los electrones no alcancen el nivel de energía necesario que le debe suministrar una fuente de energía externa conectada a los dos extremos del diodo, no podrán atravesar esa barrera. Por otra parte, a ambos lados de la barrera de potencial se forma una “zona de deplexión” (también llamada zona de agotamiento, de vaciado, de carga espacial o de despoblación). Esa es una zona o región aislada, libre de portadores energéticos, que se origina alrededor del punto de unión de los dos materiales semiconductores dopados de diferente forma y que poseen también polaridades diferentes. La función de la “zona de deplexión” es alejar a los portadores de carga energética (electrones) del punto de unión p-n cuando el diodo no se encuentra energizado con la tensión o voltaje suficiente, o cuando se energiza con una tensión o voltaje inverso. El efecto que se crea al unir simplemente un cristal semiconductor de silicio tipo-p con otro de tipo-n, equivale a tener conectada una batería o fuente de suministro de energía imaginaria en los extremos del diodo. Bajo esas circunstancias la “zona de deplexión” que se crea a ambos lados de la unión p-n obliga a los huecos o agujeros de la parte positiva (P) alejarse de ese punto de empalme o unión, mientras que los electrones en exceso en la parte negativa (N) reaccionan de igual forma alejándose también del propio punto, hasta tanto no adquieran la energía suficiente que les permita atravesar la barrera de potencial. Para que los electrones en exceso en el semiconductor con polaridad negativa (N) puedan atravesar la barrera de potencial del diodo y saltar a la parte positiva y “llenar” los huecos, es necesario energizarlos suministrándoles una corriente eléctrica o diferencia de potencial en los extremos del diodo, por medio de una batería o cualquier otra fuente de fuerza electromotriz. Cuando la tensión aplicada al diodo de silicio alcanza 0,7 volt, el tamaño de la zona de deplexión se reduce por completo y los electrones en la parte negativa adquieren la carga energética necesaria que les permite atravesar la barrera de potencial. A diferencia de los diodos de silicio (Si), los de germanio (Ge) sólo requieren 0,3 volt de polarización directa para que la zona de deplexión se reduzca y los electrones adquieran la carga energética que requieren para poder atravesar la barrera de potencial. En la parte de arriba de esta ilustración aparece el símbolo general. utilizado para identificar un diodo semiconductor común y abajo el. aspecto físico externo que presentan la mayoría de los diodos de. silicio. Como se puede observar en ambas ilustraciones, el ánodo “A” constituye la parte positiva y el cátodo “K” la negativa. En un diodo real, el extremo correspondiente al cátodo se identifica por. medio de una marca o anillo color plata impreso junto al terminal. negativo de conexión al circuito eléctrico.

Segunda guía de ejercicios electrónica.

De aquí descarguen la segunda guía de ejercicios, no son muchos son apenas 5 ejercicios, leanlos bien antes de hacerlos para que encuentren lo que se les pide y no anden perdidos, revisen los tres ejemplos que vimos en clase esa es la base para la solución de estos ejercicios si los resuelven y comprenden bien que es lo que han hecho saldrán excelentemente bien en el examen.

DESCARGAR GUIA AQUI

Nota: si hay consultas, yo estaré en el laboratorio de electrónica a eso de las 5:30 los dias miercoles 16 y viernes 18 de octubre de 2013, y si no pueden llegar pueden hacer consultas a mi correo o en este blog.

Primera guía de ejercicios para la evaluación 3

Esta guia es para que estudien para el parcial, es la primer guía mañana pondré un segunda guía de ejercicios donde vendran del 566 para hacer osciladores controlados por voltaje.

DESCARGAR LA GUÍA

Segundo laboratorio de Eletrónica, para evaluación dos

Temporizador con circuito integrado 555.

Para el sábado 12 de octubre de 2013 deben armar en el aula un temporizador usando un circuito integrado 555.

El circuito será presentado en parejas, pero apóyense y discutan siempre con su grupo de trabajo (con el que hicieron la fuente, para que puedan usar todos su fuente de voltaje )

Para la realización del laboratorio necesitan:

Escoger un tiempo de diseño, puede ser cualquiera de estos 10, 20, 30 segundos (pueden diseñar para 15 segundos si quieren también, lo importante es que logren un retardo de tiempo real lo mas cercano posible al tiempo de diseño teorico), al final el tiempo no sera exacto (debido a que no encontrarán los valores exatos, esto es algo que por experiencia ya lo aprendieron)

Materiales

1 fuente de alimentación

1 breadboard

1 integrado 555 (la vez pasada les recomendé comprar dos por si se les arruina uno)

1 capacitor (que asumiran ustedes asi como lo hicimos en clase)

1 resistor (que se calculara asi como lo hicimos en clase)

Alambres para conexión.

Para probar el circuito pueden ponerle un LED en el pin 3 (que es como lo hemos visto el pin de salida), el LED permanecerá encendido durante el tiempo con el que hayan diseñado (10s, 15s, 20s, 30s)

Su tarea es calcular los elementos que necesitan (no esta difícil calcular estos elementos), es su responsabilidad comprar los elementos que necesiten (no gastarán más de un dolar), hablando de la nota el funcionamiento vale 50% y el otro 50% será un pequeño reporte igual al del primer circuito que realizaron.

El reporte debe tener:

-Nombre de los integrantes

-Calculo de los elementos, en este ítem claramente indiquen los valores asumidos (de capacitancia por ejemplo) y el valor calculado del resistor.

-Reporten claramente los valores de capacitancia y de resistencia que usaran para el desarrollo de la practica, es decir como quizá no encuentren el valor calculado del resistor que los cálculos les dieron detallen que valor les vendieron en la tienda.

Ejemplo: valor calculado 1.05KΩ

Valor  usado 1KΩ (valor disponible en el mercado)

-El tiempo medido de forma real con un cronometro (muchos de sus teléfonos celulares tienen esta funcion)

La entrega de este circuito es para el día sábado 12 de octubre del 2013 este es el único día para entregarlo no lo podrán entregar ningún otro dia.

El motivo de por qué el sábado es único dia de entrega es porque los circuitos son muy sencillos de armar y tienen una semana para calcular los elementos y pasarlos comprando en la tienda de elementos electrónicos, no se les pide que los lleven armados porque muchos manifiestan que por el trabajo no pueden armarlos justamente por eso tienen un tiempo prudencial para armarlo en clase y hacer alguna consulta acerca de las conexiones, son muchos los que han resuelto sus dudas en el aula a la hora de armarlo.

Les exhorto a aprovechar las actividades de clase (serán dos actividades en total para esta evaluación cada una con una ponderación de 10% cada una sumando 20% en total)

Recuerden que el laboratorio practico que hacen con sus respectivos instructores vale 20% y el examen tiene un porcentaje de 60%, como preparación para su parcial estoy para sacar una guía de ejercicios esta guía no tiene ningun porcentaje  simplemente es para que estudien.