Circuitos electrónicos - Guía rápida

En Electrónica tenemos diferentes componentes que sirven para diferentes propósitos. Hay varios elementos que se utilizan en muchos tipos de circuitos según las aplicaciones.

Componentes electrónicos

Similar a un ladrillo que construye una pared, un componente es el ladrillo básico de un circuito. UNComponent es un elemento básico que contribuye al desarrollo de una idea en un circuit para su ejecución.

Cada componente tiene algunas propiedades básicas y el componente se comporta en consecuencia. Depende del lema del desarrollador usarlos para la construcción del circuito previsto. La siguiente imagen muestra algunos ejemplos de componentes electrónicos que se utilizan en diferentes circuitos electrónicos.

Solo para tener una idea, veamos los tipos de componentes. Pueden serActive Components o Passive Components.

Componentes activos

  • Los Componentes Activos son aquellos que conducen al proporcionar alguna energía externa.

  • Los componentes activos producen energía en forma de voltaje o corriente.

  • Examples - Diodos, Transistores, Transformadores, etc.

Componentes pasivos

  • Los componentes pasivos son aquellos que inician su funcionamiento una vez conectados. No se necesita energía externa para su funcionamiento.

  • Los componentes pasivos almacenan y mantienen energía en forma de voltaje o corriente.

  • Examples - Resistencias, Condensadores, Inductores, etc.

También tenemos otra clasificación como Linear y Non-Linear elementos.

Componentes lineales

  • Los elementos o componentes lineales son los que tienen relación lineal entre corriente y voltaje.

  • Los parámetros de los elementos lineales no se modifican con respecto a la corriente y el voltaje.

  • Examples - Diodos, Transistores, Transformadores, etc.

Componentes no lineales

  • Los elementos o componentes no lineales son los que tienen una relación no lineal entre corriente y voltaje.

  • Los parámetros de los elementos no lineales se modifican con respecto a la corriente y el voltaje.

  • Examples - Resistencias, Condensadores, Inductores, etc.

Estos son los componentes destinados a diversos fines, que en conjunto pueden realizar una tarea preferida para la que fueron construidos. Esta combinación de diferentes componentes se conoce comoCircuit.

Circuitos electrónicos

Un cierto número de componentes cuando se conectan con un propósito de una manera específica circuit. Un circuito es una red de diferentes componentes. Existen diferentes tipos de circuitos.

La siguiente imagen muestra diferentes tipos de circuitos electrónicos. Muestra placas de circuito impreso que son un grupo de circuitos electrónicos conectados en una placa.

Los circuitos electrónicos se pueden agrupar en diferentes categorías según su funcionamiento, conexión, estructura, etc. Analicemos más sobre los tipos de circuitos electrónicos.

Circuito activo

  • Un circuito que se construye con componentes activos se denomina como Active Circuit.

  • Por lo general, contiene una fuente de energía de la cual el circuito extrae más energía y la entrega a la carga.

  • Se agrega potencia adicional a la salida y, por lo tanto, la potencia de salida siempre es mayor que la potencia de entrada aplicada.

  • La ganancia de poder siempre será mayor que la unidad.

Circuito pasivo

  • Un circuito que se construye con componentes pasivos se denomina como Passive Circuit.

  • Incluso si contiene una fuente de energía, el circuito no extrae energía.

  • La potencia adicional no se agrega a la salida y, por lo tanto, la potencia de salida es siempre menor que la potencia de entrada aplicada.

  • La ganancia de potencia siempre será menor que la unidad.

Los circuitos electrónicos también se pueden clasificar como Analog, Digitalo Mixed.

Circuito analógico

  • Un circuito analógico puede ser uno que tenga componentes lineales. Por tanto, es un circuito lineal.

  • Un circuito analógico tiene entradas de señales analógicas que son un rango continuo de voltajes.

Circuito digital

  • Un circuito digital puede ser uno que tenga componentes no lineales. Por tanto, es un circuito no lineal.

  • Solo puede procesar señales digitales.

  • Un circuito digital tiene entradas de señales digitales que son valores discretos.

Circuito de señal mixta

  • Un circuito de señal mixta puede ser uno que tenga componentes lineales y no lineales. Por lo tanto, se denomina circuito de señal mixta.

  • Estos circuitos constan de circuitos analógicos junto con microprocesadores para procesar la entrada.

Dependiendo del tipo de conexión, los circuitos se pueden clasificar como Series Circuit o Parallel Circuit. Un circuito en serie es uno que está conectado en serie y unparallel circuit es uno que tiene sus componentes conectados en paralelo.

Ahora que tenemos una idea básica sobre los componentes electrónicos, sigamos adelante y discutamos su propósito, lo que nos ayudará a construir mejores circuitos para diferentes aplicaciones. Cualquiera que sea la finalidad de un circuito electrónico (procesar, enviar, recibir, analizar), el proceso se realiza en forma de señales. En el próximo capítulo, discutiremos las señales y el tipo de señales presentes en los circuitos electrónicos.

UN Signalpuede entenderse como "una representación que brinda alguna información sobre los datos presentes en la fuente a partir de la cual se producen". Esto suele variar en el tiempo. Por tanto, una señal puede ser unasource of energy which transmits some information. Esto se puede representar fácilmente en un gráfico.

Ejemplos

  • Una alarma da una señal de que es hora.
  • Un silbido de cocina confirma que la comida está cocida.
  • Una luz roja señala algún peligro.
  • Un semáforo indica su movimiento.
  • Suena un teléfono para indicarle una llamada.

Una señal puede ser de cualquier tipo que transmita alguna información. Esta señal producida por un equipo electrónico, se denomina comoElectronic Signal o Electrical Signal. Generalmente son variantes de tiempo.

Tipos de señales

Las señales pueden clasificarse como analógicas o digitales, según sus características. Las señales analógicas y digitales se pueden clasificar adicionalmente, como se muestra en la siguiente imagen.

Señal analoga

Una señal continua variable en el tiempo, que representa una cantidad variable en el tiempo, puede denominarse Analog Signal. Esta señal sigue variando con respecto al tiempo, según los valores instantáneos de la cantidad que la representa.

Señal digital

Una señal que es discrete en la naturaleza o que es non-continuous en forma se puede denominar como Digital signal. Esta señal tiene valores individuales, denotados por separado, que no se basan en valores anteriores, como si se derivaran en ese instante particular de tiempo.

Señal periódica y señal aperiódica

Cualquier señal analógica o digital, que repite su patrón durante un período de tiempo, se denomina como Periodic Signal. Esta señal tiene su patrón continuo repetidamente y es fácil de asumir o calcular.

Cualquier señal analógica o digital, que no repite su patrón durante un período de tiempo, se denomina como Aperiodic Signal. Esta señal tiene su patrón continuado pero el patrón no se repite y no es tan fácil de asumir o calcular.

Señales y notaciones

Entre el Periodic Signals, las señales más comúnmente utilizadas son onda sinusoidal, onda coseno, forma de onda triangular, onda cuadrada, onda rectangular, forma de onda de diente de sierra, forma de onda de pulso o tren de pulso, etc. Echemos un vistazo a esas formas de onda.

Señal de paso de unidad

La señal de paso unitario tiene el valor de una unidad desde su origen hasta una unidad en el eje X. Esto se usa principalmente como señal de prueba. La imagen de la señal de paso unitario se muestra a continuación.

La función de paso unitario se denota por $u\left ( t \right )$. Se define como:

$$ u \ left (t \ right) = \ left \ {\ begin {matrix} 1 & t \ geq 0 \\ 0 & t <0 \ end {matrix} \ right. $$

Señal de impulso de la unidad

La señal de impulso unitario tiene el valor de una unidad en su origen. Su área es una unidad. La imagen de la señal de impulso unitario se muestra a continuación.

La función de impulso unitario se denota por ẟ(t). Se define como

$$\delta \left ( t \right )=\left\{\begin{matrix} \infty \:\:if \:\:t=0\\0 \:\:if \:\:t\neq 0\end{matrix}\right.$$

$$\int_{-\infty }^{\infty }\delta \left ( t \right )d\left ( t \right )=1$$

$$\int_{-\infty }^{t }\delta \left ( t \right )d\left ( t \right )=u\left ( t \right )$$

$$\delta \left ( t \right )=\frac{du\left ( t \right )}{d\left ( t \right )} $$

Señal de rampa de unidad

La señal de rampa unitaria tiene su valor aumentando exponencialmente desde su origen. La imagen de la señal de rampa de la unidad se muestra a continuación.

La función de rampa unitaria se denota por u(t). Se define como:

$$\int_{0}^{t}u\left ( t \right ) d\left ( t \right )=\int_{0}^{t} 1 dt =t=r\left ( t \right )$$

$$u\left ( t \right )=\frac{dr\left ( t \right )}{dt}$$

Unidad de señal parabólica

La señal parabólica unitaria tiene su valor alterando como una parábola en su origen. La imagen de la señal parabólica unitaria se muestra a continuación.

La función parabólica unitaria se denota por $u\left ( t \right )$. Se define como:

$$\int_{0}^{t}\int_{0}^{t}u\left ( t \right )dtdt=\int_{0}^{t}r\left ( t \right )dt=\int_{0}^{t} t.dt=\frac{t^{2}}{2}dt=x\left ( t \right )$$

$$r\left ( t \right )=\frac{dx\left ( t \right )}{dt}$$

$$u\left ( t \right )=\frac{d^{2}x\left ( t \right )}{dt^{2}}$$

Función Signum

La función Signum tiene su valor distribuido equitativamente en ambos planos positivo y negativo desde su origen. La imagen de la función Signum se muestra a continuación.

La función Signum se denota por sgn(t). Se define como

$$ sgn \ left (t \ right) = \ left \ {\ begin {matrix} 1 \: \: para \: \: t \ geq 0 \\ - 1 \: \: para \: \: t <0 \ end {matriz} \ right. $$

$$sgn\left ( t \right )=2u\left ( t \right ) -1$$

Señal exponencial

La señal exponencial tiene su valor que varía exponencialmente desde su origen. La función exponencial tiene la forma de:

$$x\left ( t \right ) =e^{\alpha t}$$

La forma de exponencial se puede definir por $\alpha$. Esta función se puede entender en 3 casos

Case 1 -

Si $\alpha = 0\rightarrow x\left ( t \right )=e^{0}=1$

Case 2 -

Si $ \ alpha <0 $ entonces $x\left ( t \right )=e^{\alpha t}$ dónde $\alpha$es negativo. Esta forma se llamadecaying exponential.

Case 3 -

Si $\alpha > 0$ luego $x\left ( t \right )=e^{\alpha t}$ dónde $\alpha$es positivo. Esta forma se llamaraising exponential.

Señal rectangular

La señal rectangular tiene su valor distribuido en forma rectangular tanto en planos positivos como negativos desde su origen. La imagen de la señal rectangular se muestra a continuación.

La función rectangular se denota por $x\left ( t \right )$. Se define como

$$x\left ( t \right )=A \:rect\left [ \frac{t}{T} \right ]$$

Señal triangular

La señal rectangular tiene su valor distribuido en forma triangular tanto en planos positivos como negativos desde su origen. La imagen de la señal triangular se muestra a continuación.

La función triangular se denota por$x\left ( t \right )$. Se define como

$$x\left ( t \right )=A \left [ 1-\frac{\left | t \right |}{T} \right ]$$

Señal sinusoidal

La señal Sinusoidal tiene su valor que varía sinusoidalmente desde su origen. La imagen de la señal sinusoidal se muestra a continuación.

La función sinusoidal se denota por x (t). Se define como:

$$x\left ( t \right )=A \cos \left ( w_{0} t\pm \phi \right )$$

o

$$x\left ( t \right )=A sin\left ( w_{0}t\pm \phi \right )$$

Dónde $T_{0}=\frac{2 \pi}{w_{0}}$

Función Sinc

La señal Sinc tiene su valor que varía de acuerdo con una relación particular como en la ecuación dada a continuación. Tiene su valor máximo en el origen y va disminuyendo a medida que se aleja. La imagen de una señal de función Sinc se muestra a continuación.

La función Sinc se denota por sinc(t). Se define como:

$$sinc\left ( t \right )=\frac{sin\left ( \pi t \right )}{\pi t}$$

Entonces, estas son las diferentes señales que encontramos principalmente en el campo de la Electrónica y las Comunicaciones. Cada señal se puede definir en una ecuación matemática para facilitar el análisis de la señal.

Cada señal tiene una forma de onda particular, como se mencionó anteriormente. La forma de la onda puede alterar el contenido presente en la señal. De todos modos, es la decisión que debe tomar el ingeniero de diseño si modificar una onda o no para un circuito en particular. Pero, para alterar la forma de la onda, existen pocas técnicas que se discutirán en unidades posteriores.

Una señal también se puede llamar como Wave. Cada onda tiene una forma determinada cuando se representa en un gráfico. Esta forma puede ser de diferentes tipos como sinusoidal, cuadrada, triangular, etc. que varían con respecto al período de tiempo o pueden tener algunas formas aleatorias sin tener en cuenta el período de tiempo.

Tipos de forma de onda

Hay dos tipos principales de modelado de ondas. Ellos son -

  • Forma de onda lineal
  • Forma de onda no lineal

Forma de onda lineal

Se emplean elementos lineales como resistencias, condensadores e inductores para dar forma a una señal en esta forma de onda lineal. Una entrada de onda sinusoidal tiene una salida de onda sinusoidal y, por lo tanto, las entradas no sinusoidales se utilizan de manera más prominente para comprender la forma de onda lineal.

Filtering es el proceso de atenuar la señal no deseada o reproducir las porciones seleccionadas de los componentes de frecuencia de una señal particular.

Filtros

En el proceso de dar forma a una señal, si algunas partes de la señal se sienten no deseadas, se pueden cortar usando un circuito de filtro. A Filter is a circuit that can remove unwanted portions of a signal at its input. El proceso de reducción de la fuerza de la señal también se denomina comoAttenuation.

Tenemos pocos componentes que nos ayuden en las técnicas de filtrado.

  • UN Capacitor tiene la propiedad de allow AC y para block DC

  • Un Inductor tiene la propiedad de allow DC pero blocks AC.

Usando estas propiedades, estos dos componentes se utilizan especialmente para bloquear o permitir AC o DC. Los filtros se pueden diseñar en función de estas propiedades.

Tenemos cuatro tipos principales de filtros:

  • Filtro de paso bajo
  • Filtro de paso alto
  • Filtro de paso de banda
  • Filtro de parada de banda

Analicemos ahora estos tipos de filtros en detalle.

Filtro de paso bajo

Un circuito de filtro que permite un conjunto de frecuencias que están por debajo de un valor especificado puede denominarse Low pass filter. Este filtro pasa las frecuencias más bajas. El diagrama de circuito de un filtro de paso bajo que utiliza RC y RL se muestra a continuación.

El filtro de condensador o RC El filtro y el filtro inductor o el filtro RL actúan como filtros de paso bajo.

  • The RC filter- A medida que el condensador se coloca en derivación, la CA que permite se conecta a tierra. Esto pasa por todos los componentes de alta frecuencia mientras permite CC en la salida.

  • The RL filter- A medida que el inductor se coloca en serie, se permite la entrada de CC a la salida. El inductor bloquea la CA que no está permitida en la salida.

El símbolo de un filtro de paso bajo (LPF) es el que se muestra a continuación.

Respuesta frecuente

La respuesta de frecuencia de un filtro práctico es como se muestra a continuación y la respuesta de frecuencia de un LPF ideal cuando no se consideran las consideraciones prácticas de los componentes electrónicos será la siguiente.

La frecuencia de corte de cualquier filtro es la frecuencia crítica $f_{c}$para lo cual el filtro está destinado a atenuar (cortar) la señal. Un filtro ideal tiene un corte perfecto mientras que uno práctico tiene pocas limitaciones.

El filtro RLC

Después de conocer los filtros RC y RL, uno puede tener una idea de que sería bueno agregar estos dos circuitos para tener una mejor respuesta. La siguiente figura muestra cómo se ve el circuito RLC.

La señal en la entrada pasa por el inductor que bloquea la CA y permite la CC. Ahora, esa salida pasa nuevamente a través del condensador en derivación, que conecta a tierra el componente de CA restante, si lo hay, presente en la señal, lo que permite que haya CC en la salida. Por lo tanto, tenemos una CC pura en la salida. Este es un circuito de paso bajo mejor que ambos.

Filtro de paso alto

Un circuito de filtro que permite un conjunto de frecuencias que son above a specified value puede denominarse como High pass filter. Este filtro pasa las frecuencias más altas. El diagrama de circuito de un filtro de paso alto que utiliza RC y RL se muestra a continuación.

El filtro de condensador o RC filtro y el filtro inductor o RL ambos filtros actúan como filtros de paso alto.

El filtro RC

A medida que el condensador se coloca en serie, bloquea los componentes de CC y permite que los componentes de CA salgan. Por lo tanto, los componentes de alta frecuencia aparecen en la salida a través de la resistencia.

El filtro RL

A medida que el inductor se coloca en derivación, se permite que la CC esté conectada a tierra. El componente de CA restante aparece en la salida. El símbolo de un filtro de paso alto (HPF) se muestra a continuación.

Respuesta frecuente

La respuesta de frecuencia de un filtro práctico es la que se muestra a continuación y la respuesta de frecuencia de un HPF ideal cuando no se consideran las consideraciones prácticas de los componentes electrónicos será la siguiente.

La frecuencia de corte de cualquier filtro es la frecuencia crítica $f_{c}$para lo cual el filtro está destinado a atenuar (cortar) la señal. Un filtro ideal tiene un corte perfecto mientras que uno práctico tiene pocas limitaciones.

El filtro RLC

Después de conocer los filtros RC y RL, uno puede tener una idea de que sería bueno agregar estos dos circuitos para tener una mejor respuesta. La siguiente figura muestra cómo se ve el circuito RLC.

La señal en la entrada pasa por el condensador que bloquea DC y permite AC. Ahora, esa salida pasa nuevamente a través del inductor en derivación, lo que conecta a tierra el componente de CC restante, si lo hay, presente en la señal, permitiendo CA en la salida. Por lo tanto, tenemos una CA pura en la salida. Este es un circuito de paso alto mejor que ambos.

Filtro de paso de banda

Un circuito de filtro que permite un conjunto de frecuencias que son between two specified values puede denominarse como Band pass filter. Este filtro pasa una banda de frecuencias.

Como necesitamos eliminar algunas de las frecuencias bajas y altas, para seleccionar un conjunto de frecuencias específicas, necesitamos conectar en cascada un HPF y un LPF para obtener un BPF. Esto se puede entender fácilmente incluso observando las curvas de respuesta de frecuencia.

El diagrama de circuito de un filtro de paso de banda se muestra a continuación.

El circuito anterior también se puede construir utilizando circuitos RL o circuitos RLC. El anterior es un circuito RC elegido para una comprensión simple.

El símbolo de un filtro de paso de banda (BPF) es el que se muestra a continuación.

Respuesta frecuente

La respuesta de frecuencia de un filtro práctico es como se muestra a continuación y la respuesta de frecuencia de un BPF ideal cuando no se consideran las consideraciones prácticas de los componentes electrónicos será la siguiente.

La frecuencia de corte de cualquier filtro es la frecuencia crítica $f_{c}$para lo cual el filtro está destinado a atenuar (cortar) la señal. Un filtro ideal tiene un corte perfecto mientras que uno práctico tiene pocas limitaciones.

Filtro de parada de banda

Un circuito de filtro que bloquea o atenúa un conjunto de frecuencias que son between two specified values puede denominarse como Band Stop filter. Este filtro rechaza una banda de frecuencias y, por lo tanto, también se puede llamar comoBand Reject Filter.

Como necesitamos eliminar algunas de las frecuencias bajas y altas, para seleccionar un conjunto de frecuencias específicas, necesitamos conectar en cascada un LPF y un HPF para obtener un BSF. Esto se puede entender fácilmente incluso observando las curvas de respuesta de frecuencia.

El diagrama de circuito de un filtro de parada de banda se muestra a continuación.

El circuito anterior también se puede construir utilizando circuitos RL o circuitos RLC. El anterior es un circuito RC elegido para una comprensión simple.

El símbolo de un filtro de parada de banda (BSF) se muestra a continuación.

Respuesta frecuente

La respuesta de frecuencia de un filtro práctico es como se muestra a continuación y la respuesta de frecuencia de un BSF ideal cuando no se consideran las consideraciones prácticas de los componentes electrónicos será la siguiente.

La frecuencia de corte de cualquier filtro es la frecuencia crítica $f_{c}$para lo cual el filtro está destinado a atenuar (cortar) la señal. Un filtro ideal tiene un corte perfecto mientras que uno práctico tiene pocas limitaciones.

Los circuitos de filtro de paso bajo y paso alto se utilizan como circuitos especiales en muchas aplicaciones. El filtro de paso bajo (LPF) puede funcionar comoIntegrator, mientras que el filtro de paso alto (HPF) puede funcionar como Differentiator. Estas dos funciones matemáticas solo son posibles con estos circuitos, lo que reduce los esfuerzos de un ingeniero electrónico en muchas aplicaciones.

Filtro de paso bajo como integrador

A bajas frecuencias, la reactancia capacitiva tiende a ser infinita y a altas frecuencias la reactancia se vuelve cero. Por lo tanto, a bajas frecuencias, el LPF tiene una salida finita y a altas frecuencias la salida es nula, que es lo mismo para un circuito integrador. Por lo tanto, se puede decir que el filtro de paso bajo funciona como unintegrator.

Para que el LPF se comporte como un integrador

$$\tau \gg T$$

Dónde $\tau = RC$ la constante de tiempo del circuito

Entonces la variación de voltaje en C es muy pequeña.

$$V_{i}=iR+\frac{1}{C} \int i \:dt$$

$$V_{i}\cong iR$$

$$Since \:\: \frac{1}{C} \int i \:dt \ll iR$$

$$i=\frac{V_{i}}{R}$$

$$ Since \:\: V_{0}=\frac{1}{C}\int i dt =\frac{1}{RC}\int V_{i}dt=\frac{1}{\tau }\int V_{i} dt$$

$$Output \propto \int input$$

Por tanto, un LPF con una constante de tiempo grande produce una salida que es proporcional a la integral de una entrada.

Respuesta frecuente

La respuesta de frecuencia de un práctico filtro de paso bajo, cuando funciona como integrador, se muestra a continuación.

Forma de onda de salida

Si el circuito integrador recibe una entrada de onda sinusoidal, la salida será una onda de coseno. Si la entrada es una onda cuadrada, la forma de onda de salida cambia de forma y aparece como en la figura siguiente.

Filtro de paso alto como diferenciador

A bajas frecuencias, la salida de un diferenciador es cero, mientras que a altas frecuencias, su salida es de algún valor finito. Esto es lo mismo que para un diferenciador. Por tanto, se dice que el filtro de paso alto se comporta como un diferenciador.

Si la constante de tiempo del RC HPF es mucho menor que el período de tiempo de la señal de entrada, entonces el circuito se comporta como un diferenciador. Entonces, la caída de voltaje en R es muy pequeña en comparación con la caída en C.

$$V_{i}=\frac{1}{C}\int i \:dt +iR$$

Pero $iR=V_{0}$ es pequeño

$$since V_{i}=\frac{1}{C}\int i \:dt$$

$$i=\frac{V_{0}}{R}$$

$$Since \: V_{i} =\frac{1}{\tau }\int V_{0} \:dt$$

Dónde $\tau =RC$ la constante de tiempo del circuito.

Diferenciando por ambos lados,

$$\frac{dV_{i}}{dt}=\frac{V_0}{\tau }$$

$$V_{0}=\tau \frac{dV_{i}}{dt}$$

$$Since \:V_{0}\propto \frac{dV_{i}}{dt}$$

La salida es proporcional al diferencial de la señal de entrada.

Respuesta frecuente

La respuesta de frecuencia de un práctico filtro de paso alto, cuando funciona como diferenciador, se muestra a continuación.

Forma de onda de salida

Si el circuito diferenciador recibe una entrada de onda sinusoidal, la salida será una onda cosenoidal. Si la entrada es una onda cuadrada, la forma de onda de salida cambia de forma y aparece como en la figura siguiente.

Estos dos circuitos se utilizan principalmente en diversas aplicaciones electrónicas. Un circuito diferenciador produce un voltaje de salida constante cuando la entrada aplicada tiende a cambiar de manera constante. Un circuito integrador produce un voltaje de salida que cambia constantemente cuando el voltaje de entrada aplicado es constante.

Junto con las resistencias, los elementos no lineales como diodesse utilizan en circuitos de conformación de ondas no lineales para obtener las salidas alteradas necesarias. La forma de la onda se atenúa o el nivel de CC de la onda se altera en la forma de onda no lineal.

El proceso de producir formas de onda de salida no sinusoidales a partir de una entrada sinusoidal, utilizando elementos no lineales se denomina nonlinear wave shaping.

Circuitos Clipper

Un circuito Clipper es un circuito que rejects the part de la onda de entrada especificada mientras allowing the remainingparte. La parte de la onda por encima o por debajo del voltaje de corte determinado se recorta o corta.

Los circuitos de recorte consisten en elementos lineales y no lineales como resistencias y diodos, pero no elementos de almacenamiento de energía como condensadores. Estos circuitos de recorte tienen muchas aplicaciones ya que son ventajosos.

  • La principal ventaja de los circuitos de recorte es eliminar el ruido no deseado presente en las amplitudes.

  • Estos pueden funcionar como convertidores de onda cuadrada, ya que pueden convertir ondas sinusoidales en ondas cuadradas mediante el recorte.

  • La amplitud de la onda deseada se puede mantener a un nivel constante.

Entre los cortapelos de diodo, los dos tipos principales son positive y negative clippers. Analizaremos estos dos tipos de cortapelos en los dos capítulos siguientes.

El circuito Clipper que está destinado a atenuar las porciones positivas de la señal de entrada se puede denominar como un Positive Clipper. Entre los circuitos recortadores de diodos positivos, tenemos los siguientes tipos:

  • Clipper serie positiva
  • Clipper serie positivo con positivo $V_{r}$ (voltaje de referencia)
  • Clipper serie positivo con negativo $V_{r}$
  • Cortadora de derivación positiva
  • Clipper de derivación positivo con positivo $V_{r}$
  • Clipper de derivación positivo con negativo $V_{r}$

Analicemos cada uno de estos tipos en detalle.

Clipper serie positiva

Un circuito Clipper en el que el diodo está conectado en serie a la señal de entrada y que atenúa las porciones positivas de la forma de onda, se denomina Positive Series Clipper. La siguiente figura representa el diagrama de circuito de la cortadora de serie positiva.

Positive Cycle of the Input- Cuando se aplica el voltaje de entrada, el ciclo positivo de la entrada hace que el punto A en el circuito sea positivo con respecto al punto B. Esto hace que el diodo tenga polarización inversa y por lo tanto se comporte como un interruptor abierto. Por lo tanto, el voltaje a través de la resistencia de carga se vuelve cero ya que no fluye corriente a través de él y, por lo tanto,$V_{0}$ será cero.

Negative Cycle of the Input- El ciclo negativo de la entrada hace que el punto A en el circuito sea negativo con respecto al punto B. Esto hace que el diodo esté polarizado hacia adelante y, por lo tanto, conduzca como un interruptor cerrado. Por lo tanto, el voltaje a través de la resistencia de carga será igual al voltaje de entrada aplicado, ya que aparece completamente en la salida.$V_{0}$.

Formas de onda

En las figuras anteriores, si se observan las formas de onda, podemos entender que solo se recortó una parte del pico positivo. Esto se debe al voltaje en V0. Pero la salida ideal no estaba destinada a ser así. Echemos un vistazo a las siguientes figuras.

A diferencia de la salida ideal, una porción de bit del ciclo positivo está presente en la salida práctica debido al voltaje de conducción del diodo que es 0.7v. Por lo tanto, habrá una diferencia en las formas de onda de salida prácticas e ideales.

Clipper serie positivo con positivo $V_{r}$

Un circuito Clipper en el que el diodo está conectado en serie a la señal de entrada y polarizado con voltaje de referencia positivo $V_{r}$ y que atenúa las porciones positivas de la forma de onda, se denomina como Positive Series Clipper with positive $V_{r}$. La siguiente figura representa el diagrama de circuito de la cortadora de serie positiva cuando el voltaje de referencia aplicado es positivo.

Durante el ciclo positivo de la entrada, el diodo se polariza inversamente y el voltaje de referencia aparece en la salida. Durante su ciclo negativo, el diodo se polariza hacia adelante y conduce como un interruptor cerrado. Por lo tanto, la forma de onda de salida aparece como se muestra en la figura anterior.

Clipper serie positivo con negativo $V_{r}$

Un circuito Clipper en el que el diodo está conectado en serie a la señal de entrada y polarizado con voltaje de referencia negativo $V_{r}$ y que atenúa las porciones positivas de la forma de onda, se denomina como Positive Series Clipper with negative $V_{r}$. La siguiente figura representa el diagrama del circuito de la cortadora de serie positiva, cuando el voltaje de referencia aplicado es negativo.

Durante el ciclo positivo de la entrada, el diodo se polariza inversamente y el voltaje de referencia aparece en la salida. Como el voltaje de referencia es negativo, se muestra el mismo voltaje con amplitud constante. Durante su ciclo negativo, el diodo se polariza hacia adelante y conduce como un interruptor cerrado. Por lo tanto, la señal de entrada que es mayor que la tensión de referencia aparece en la salida.

Cortadora de derivación positiva

Un circuito Clipper en el que el diodo está conectado en derivación a la señal de entrada y que atenúa las porciones positivas de la forma de onda, se denomina Positive Shunt Clipper. La siguiente figura representa el diagrama de circuito de la cortadora de derivación positiva.

Positive Cycle of the Input- Cuando se aplica el voltaje de entrada, el ciclo positivo de la entrada hace que el punto A en el circuito sea positivo con respecto al punto B. Esto hace que el diodo esté polarizado hacia adelante y, por lo tanto, conduzca como un interruptor cerrado. Por lo tanto, el voltaje a través de la resistencia de carga se vuelve cero ya que no fluye corriente a través de él y, por lo tanto,$V_{0}$ será cero.

Negative Cycle of the Input- El ciclo negativo de la entrada hace que el punto A en el circuito sea negativo con respecto al punto B. Esto hace que el diodo tenga polarización inversa y por lo tanto se comporte como un interruptor abierto. Por lo tanto, el voltaje a través de la resistencia de carga será igual al voltaje de entrada aplicado, ya que aparece completamente en la salida.$V_{0}$.

Formas de onda

En las figuras anteriores, si se observan las formas de onda, podemos entender que solo se recortó una parte del pico positivo. Esto se debe al voltaje en$V_{0}$. Pero la salida ideal no estaba destinada a ser así. Echemos un vistazo a las siguientes figuras.

A diferencia de la salida ideal, una porción de bit del ciclo positivo está presente en la salida práctica debido al voltaje de conducción del diodo que es 0.7v. Por lo tanto, habrá una diferencia en las formas de onda de salida prácticas e ideales.

Clipper de derivación positivo con positivo $V_{r}$

Un circuito Clipper en el que el diodo está conectado en derivación a la señal de entrada y polarizado con voltaje de referencia positivo $V_{r}$ y que atenúa las porciones positivas de la forma de onda, se denomina como Positive Shunt Clipper with positive $V_{r}$. La siguiente figura representa el diagrama de circuito para el cortapelos en derivación positivo cuando el voltaje de referencia aplicado es positivo.

Durante el ciclo positivo de la entrada, el diodo se polariza hacia adelante y nada más que el voltaje de referencia aparece en la salida. Durante su ciclo negativo, el diodo se polariza inversamente y se comporta como un interruptor abierto. La totalidad de la entrada aparece en la salida. Por lo tanto, la forma de onda de salida aparece como se muestra en la figura anterior.

Clipper de derivación positivo con negativo $V_{r}$

Un circuito Clipper en el que el diodo está conectado en derivación a la señal de entrada y polarizado con voltaje de referencia negativo $V_{r}$ y que atenúa las porciones positivas de la forma de onda, se denomina como Positive Shunt Clipper with negative $V_{r}$.

La siguiente figura representa el diagrama de circuito para el cortapelos en derivación positivo, cuando el voltaje de referencia aplicado es negativo.

Durante el ciclo positivo de la entrada, el diodo se polariza hacia adelante y el voltaje de referencia aparece en la salida. Como el voltaje de referencia es negativo, se muestra el mismo voltaje con amplitud constante. Durante su ciclo negativo, el diodo se polariza inversamente y se comporta como un interruptor abierto. Por lo tanto, la señal de entrada que es mayor que la tensión de referencia aparece en la salida.

El circuito Clipper que está destinado a atenuar las porciones negativas de la señal de entrada se puede denominar como un Negative Clipper. Entre los circuitos de corte de diodos negativos, tenemos los siguientes tipos.

  • Clipper serie negativa
  • Clipper serie negativa con positivo $V_{r}$ (voltaje de referencia)
  • Clipper serie negativa con negativo $V_{r}$
  • Cortadora de derivación negativa
  • Clipper de derivación negativo con positivo $V_{r}$
  • Clipper de derivación negativo con negativo $V_{r}$

Analicemos cada uno de estos tipos en detalle.

Clipper serie negativa

Un circuito Clipper en el que el diodo está conectado en serie a la señal de entrada y que atenúa las porciones negativas de la forma de onda, se denomina Negative Series Clipper. La siguiente figura representa el diagrama de circuito de la cortadora de serie negativa.

Positive Cycle of the Input- Cuando se aplica el voltaje de entrada, el ciclo positivo de la entrada hace que el punto A en el circuito sea positivo con respecto al punto B. Esto hace que el diodo esté polarizado hacia adelante y por lo tanto actúa como un interruptor cerrado. Por lo tanto, el voltaje de entrada aparece completamente a través de la resistencia de carga para producir la salida$V_{0}$.

Negative Cycle of the Input- El ciclo negativo de la entrada hace que el punto A en el circuito sea negativo con respecto al punto B. Esto hace que el diodo tenga polarización inversa y, por lo tanto, actúa como un interruptor abierto. Por lo tanto, el voltaje a través de la resistencia de carga será cero, lo que hace$V_{0}$ cero.

Formas de onda

En las figuras anteriores, si se observan las formas de onda, podemos entender que solo se recortó una parte del pico negativo. Esto se debe al voltaje en$V_{0}$. Pero la salida ideal no estaba destinada a ser así. Echemos un vistazo a las siguientes figuras.

A diferencia de la salida ideal, una porción de bit del ciclo negativo está presente en la salida práctica debido al voltaje de conducción del diodo que es 0.7v. Por lo tanto, habrá una diferencia en las formas de onda de salida prácticas e ideales.

Clipper serie negativa con positivo $V_{r}$

Un circuito Clipper en el que el diodo está conectado en serie a la señal de entrada y polarizado con voltaje de referencia positivo $V_{r}$ y que atenúa las porciones negativas de la forma de onda, se denomina como Negative Series Clipper with positive $V_{r}$. La siguiente figura representa el diagrama de circuito de la cortadora de serie negativa cuando el voltaje de referencia aplicado es positivo.

Durante el ciclo positivo de la entrada, el diodo comienza a conducir solo cuando el valor del voltaje del ánodo excede el valor del voltaje del cátodo del diodo. Como el voltaje del cátodo es igual al voltaje de referencia aplicado, la salida será como se muestra.

Clipper serie negativa con negativo $V_{r}$

Un circuito Clipper en el que el diodo está conectado en serie a la señal de entrada y polarizado con voltaje de referencia negativo $V_{r}$ y que atenúa las porciones negativas de la forma de onda, se denomina como Negative Series Clipper with negative $V_{r}$. La siguiente figura representa el diagrama del circuito de la cortadora de serie negativa, cuando el voltaje de referencia aplicado es negativo.

Durante el ciclo positivo de la entrada, el diodo se polariza hacia adelante y la señal de entrada aparece en la salida. Durante su ciclo negativo, el diodo se polariza inversamente y, por lo tanto, no conducirá. Pero el voltaje de referencia negativo que se está aplicando aparece en la salida. Por lo tanto, el ciclo negativo de la forma de onda de salida se recorta después de este nivel de referencia.

Cortadora de derivación negativa

Un circuito Clipper en el que el diodo está conectado en derivación a la señal de entrada y que atenúa las porciones negativas de la forma de onda, se denomina Clipper de derivación negativa. La siguiente figura representa el diagrama de circuito paranegative shunt clipper.

Positive Cycle of the Input- Cuando se aplica el voltaje de entrada, el ciclo positivo de la entrada hace que el punto A en el circuito sea positivo con respecto al punto B. Esto hace que el diodo tenga polarización inversa y por lo tanto se comporte como un interruptor abierto. Por lo tanto, el voltaje a través de la resistencia de carga es igual al voltaje de entrada aplicado, ya que aparece completamente en la salida.$V_{0}$

Negative Cycle of the Input- El ciclo negativo de la entrada hace que el punto A en el circuito sea negativo con respecto al punto B. Esto hace que el diodo esté polarizado hacia adelante y, por lo tanto, conduzca como un interruptor cerrado. Por lo tanto, el voltaje a través de la resistencia de carga se vuelve cero ya que no fluye corriente a través de él.

Formas de onda

En las figuras anteriores, si se observan las formas de onda, podemos entender que solo se recortó una parte del pico negativo. Esto se debe al voltaje en$V_{0}$. Pero la salida ideal no estaba destinada a ser así. Echemos un vistazo a las siguientes figuras.

A diferencia de la salida ideal, una porción de bit del ciclo negativo está presente en la salida práctica debido al voltaje de conducción del diodo que es 0.7v. Por lo tanto, habrá una diferencia en las formas de onda de salida prácticas e ideales.

Clipper de derivación negativo con positivo $V_{r}$

Un circuito Clipper en el que el diodo está conectado en derivación a la señal de entrada y polarizado con voltaje de referencia positivo $V_{r}$ y que atenúa las porciones negativas de la forma de onda, se denomina como Negative Shunt Clipper with positive $V_{r}$. La siguiente figura representa el diagrama del circuito de la cortadora de derivación negativa cuando el voltaje de referencia aplicado es positivo.

Durante el ciclo positivo de la entrada, el diodo se polariza en reversa y se comporta como un interruptor abierto. Entonces, todo el voltaje de entrada, que es mayor que el voltaje de referencia aplicado, aparece en la salida. La señal por debajo del nivel de voltaje de referencia se corta.

Durante el semiciclo negativo, a medida que el diodo se polariza hacia adelante y el bucle se completa, no hay salida.

Clipper de derivación negativo con negativo $V_{r}$

Un circuito Clipper en el que el diodo está conectado en derivación a la señal de entrada y polarizado con voltaje de referencia negativo $V_{r}$ y que atenúa las porciones negativas de la forma de onda, se denomina como Negative Shunt Clipper with negative $V_{r}$. La siguiente figura representa el diagrama del circuito para el cortapelos en derivación negativo, cuando el voltaje de referencia aplicado es negativo.

Durante el ciclo positivo de la entrada, el diodo se polariza en reversa y se comporta como un interruptor abierto. Entonces, todo el voltaje de entrada, aparece en la salida$V_{o}$. Durante el semiciclo negativo, el diodo se polariza hacia adelante. El voltaje negativo hasta el voltaje de referencia llega a la salida y la señal restante se corta.

Clipper bidireccional

Este es un clipper positivo y negativo con un voltaje de referencia $V_{r}$. El voltaje de entrada se recorta en dos direcciones, tanto las partes positivas como negativas de la forma de onda de entrada con dos voltajes de referencia. Para esto, dos diodos$D_{1}$ y $D_{2}$ junto con dos voltajes de referencia $V_{r1}$ y $V_{r2}$ están conectados en el circuito.

Este circuito también se denomina como Combinational Clippercircuito. La siguiente figura muestra la disposición del circuito para un circuito recortador combinatorio o bidireccional junto con su forma de onda de salida.

Durante la mitad positiva de la señal de entrada, el diodo $D_{1}$ Conduce haciendo la tensión de referencia $V_{r1}$aparecen en la salida. Durante la mitad negativa de la señal de entrada, el diodo$D_{2}$ Conduce haciendo la tensión de referencia $V_{r1}$aparecen en la salida. Por lo tanto, ambos diodos conducen alternativamente para recortar la salida durante ambos ciclos. La salida se toma a través de la resistencia de carga.

Con esto, hemos terminado con los principales circuitos de clipper. Busquemos los circuitos de sujeción en el próximo capítulo.

Un circuito Clamper es un circuito que agrega un nivel de CC a una señal de CA. En realidad, los picos positivos y negativos de las señales se pueden colocar en los niveles deseados utilizando los circuitos de sujeción. A medida que se desplaza el nivel de CC, un circuito de sujeción se denomina comoLevel Shifter.

Los circuitos de sujeción constan de elementos de almacenamiento de energía como condensadores. Un circuito de sujeción simple consta de un condensador, un diodo, una resistencia y una batería de CC si es necesario.

Circuito de abrazadera

Un circuito Clamper se puede definir como el circuito que consta de un diodo, una resistencia y un condensador que cambia la forma de onda a un nivel de CC deseado sin cambiar la apariencia real de la señal aplicada.

Para mantener el período de tiempo de la forma de onda, el tau debe ser mayor que la mitad del período de tiempo (el tiempo de descarga del capacitor debe ser lento).

$$\tau = Rc$$

Dónde

  • R es la resistencia de la resistencia empleada
  • C es la capacitancia del condensador utilizado

La constante de tiempo de carga y descarga del condensador determina la salida de un circuito de sujeción.

  • En un circuito de sujeción, tiene lugar un desplazamiento vertical hacia arriba o hacia abajo en la forma de onda de salida con respecto a la señal de entrada.

  • La resistencia de carga y el condensador afectan la forma de onda. Entonces, el tiempo de descarga del capacitor debería ser lo suficientemente grande.

El componente de CC presente en la entrada se rechaza cuando se utiliza una red acoplada a un capacitor (ya que un capacitor bloquea la CC). Por eso cuandodc necesita ser restored, se utiliza circuito de sujeción.

Tipos de abrazaderas

Hay pocos tipos de circuitos de sujeción, como

  • Abrazadera positiva
  • Sujetador positivo con positivo $V_r$
  • Abrazadera positiva con negativa $V_r$
  • Clamper negativo
  • Sujetador negativo con positivo $V_{r}$
  • Sujetador negativo con negativo $V_{r}$

Repasemos en detalle.

Circuito de abrazadera positivo

Un circuito de sujeción restaura el nivel de CC. Cuando un pico negativo de la señal se eleva por encima del nivel cero, se dice que la señal espositively clamped.

Un circuito de sujeción positiva es uno que consta de un diodo, una resistencia y un condensador y que cambia la señal de salida a la parte positiva de la señal de entrada. La siguiente figura explica la construcción de un circuito de sujeción positiva.

Inicialmente, cuando se da la entrada, el condensador aún no está cargado y el diodo tiene polarización inversa. La salida no se considera en este momento. Durante el semiciclo negativo, en el valor máximo, el condensador se carga con negativo en una placa y positivo en la otra. El condensador ahora está cargado a su valor máximo$V_{m}$. El diodo tiene polarización directa y conduce mucho.

Durante el siguiente semiciclo positivo, el capacitor se carga a Vm positivo mientras que el diodo se polariza inversamente y se abre en circuito. La salida del circuito en este momento será

$$V_{0}=V_{i}+V_{m}$$

Por lo tanto, la señal se bloquea positivamente como se muestra en la figura anterior. La señal de salida cambia de acuerdo con los cambios en la entrada, pero cambia el nivel de acuerdo con la carga en el capacitor, ya que agrega el voltaje de entrada.

Abrazadera positiva con positiva V r

Un circuito de sujeción positiva si está polarizado con algún voltaje de referencia positivo, ese voltaje se agregará a la salida para elevar el nivel de sujeción. Usando esto, el circuito del sujetador positivo con voltaje de referencia positivo se construye como se muestra a continuación.

Durante el semiciclo positivo, el voltaje de referencia se aplica a través del diodo en la salida y a medida que aumenta el voltaje de entrada, el voltaje del cátodo del diodo aumenta con respecto al voltaje del ánodo y por lo tanto deja de conducir. Durante el semiciclo negativo, el diodo se polariza hacia adelante y comienza a conducir. El voltaje a través del capacitor y el voltaje de referencia juntos mantienen el nivel de voltaje de salida.

Clamper positivo con negativo $V_{r}$

Un circuito de sujeción positiva si está polarizado con algún voltaje de referencia negativo, ese voltaje se agregará a la salida para elevar el nivel de sujeción. Usando esto, el circuito del sujetador positivo con voltaje de referencia positivo se construye como se muestra a continuación.

Durante el semiciclo positivo, el voltaje a través del capacitor y el voltaje de referencia juntos mantienen el nivel de voltaje de salida. Durante el semiciclo negativo, el diodo conduce cuando el voltaje del cátodo es menor que el voltaje del ánodo. Estos cambios hacen que el voltaje de salida se muestre en la figura anterior.

Clamper negativo

Un circuito de sujeción negativa es uno que consta de un diodo, una resistencia y un condensador y que desplaza la señal de salida a la parte negativa de la señal de entrada. La siguiente figura explica la construcción de un circuito de sujeción negativa.

Durante el semiciclo positivo, el condensador se carga a su valor máximo. $v_{m}$. El diodo está polarizado hacia adelante y conduce. Durante el semiciclo negativo, el diodo se polariza inversamente y se abre en circuito. La salida del circuito en este momento será

$$V_{0}=V_{i}+V_{m}$$

Por lo tanto, la señal se bloquea negativamente como se muestra en la figura anterior. La señal de salida cambia de acuerdo con los cambios en la entrada, pero cambia el nivel de acuerdo con la carga en el capacitor, ya que agrega el voltaje de entrada.

Sujetador negativo con positivo V r

Un circuito de sujeción negativa si está polarizado con algún voltaje de referencia positivo, ese voltaje se agregará a la salida para elevar el nivel de sujeción. Usando esto, el circuito de la abrazadera negativa con voltaje de referencia positivo se construye como se muestra a continuación.

Aunque el voltaje de salida se fija negativamente, una parte de la forma de onda de salida se eleva al nivel positivo, ya que el voltaje de referencia aplicado es positivo. Durante el semiciclo positivo, el diodo conduce, pero la salida es igual al voltaje de referencia positivo aplicado. Durante el semiciclo negativo, el diodo actúa como circuito abierto y el voltaje a través del capacitor forma la salida.

Sujetador negativo con negativo V r

Un circuito de sujeción negativa si está polarizado con algún voltaje de referencia negativo, ese voltaje se agregará a la salida para elevar el nivel de sujeción. Usando esto, el circuito de la abrazadera negativa con voltaje de referencia negativo se construye como se muestra a continuación.

El cátodo del diodo está conectado con un voltaje de referencia negativo, que es menor que el de cero y el voltaje del ánodo. Por lo tanto, el diodo comienza a conducir durante el semiciclo positivo, antes del nivel de voltaje cero. Durante el semiciclo negativo, el voltaje a través del capacitor aparece en la salida. Por lo tanto, la forma de onda se sujeta hacia la parte negativa.

Aplicaciones

Hay muchas aplicaciones para Clippers y Clampers, como

Tijeras

  • Utilizado para la generación y modelado de formas de onda
  • Utilizado para la protección de circuitos contra picos.
  • Utilizado para restauradores de amplitud
  • Utilizados como limitadores de voltaje
  • Utilizado en circuitos de televisión
  • Utilizado en transmisores de FM

Abrazaderas

  • Utilizados como restauradores de corriente continua
  • Se usa para eliminar distorsiones
  • Utilizado como multiplicadores de voltaje
  • Utilizado para la protección de amplificadores
  • Utilizado como equipo de prueba
  • Utilizado como estabilizador de línea base

Junto con los circuitos de conformación de ondas, como los clippers y clampers, los diodos se utilizan para construir otros circuitos, como limitadores y multiplicadores de voltaje, que analizaremos en este capítulo. Los diodos también tienen otra aplicación importante conocida como rectificadores, que se discutirá más adelante.

Limitadores

Otro nombre con el que nos encontramos a menudo al pasar por estos cortapelos y abrazaderas es el circuito limitador. UNlimiter El circuito puede entenderse como el que limita la tensión de salida para que no supere un valor predeterminado.

Este es más o menos un circuito recortador que no permite exceder el valor especificado de la señal. En realidad, el recorte se puede denominar como un grado extremo de limitación. Por tanto, la limitación puede entenderse como un recorte suave.

La siguiente imagen muestra algunos ejemplos de circuitos limitadores:

El rendimiento de un circuito limitador se puede entender a partir de su curva característica de transferencia. Un ejemplo de tal curva es el siguiente.

Los límites inferior y superior se especifican en el gráfico que indica las características del limitador. El voltaje de salida para tal gráfico puede entenderse como

$$V_{0}= L_{-},KV_{i},L_{+}$$

Dónde

$$L_{-}=V_{i}\leq \frac{L_{-}}{k}$$

$$ KV_ {i} = \ frac {L _ {-}} {k} <V_ {i} <\ frac {L _ {+}} {k} $$

$$L_{+}=V_{i}\geq \frac{L_{+}}{K}$$

Tipos de limitadores

Hay pocos tipos de limitadores como

  • Unipolar Limiter - Este circuito limita la señal de una forma.

  • Bipolar Limiter - Este circuito limita la señal de dos formas.

  • Soft Limiter - La salida puede cambiar en este circuito incluso por un ligero cambio en la entrada.

  • Hard Limiter - La salida no cambiará fácilmente con el cambio en la señal de entrada.

  • Single Limiter - Este circuito emplea un diodo para limitar.

  • Double Limiter - Este circuito emplea dos diodos para limitar.

Multiplicadores de voltaje

Hay aplicaciones en las que es necesario multiplicar el voltaje en algunos casos. Esto se puede hacer fácilmente con la ayuda de un circuito simple que utiliza diodos y condensadores. Si el voltaje se duplica, dicho circuito se denomina Duplicador de voltaje. Esto se puede ampliar para hacer un triplicador de voltaje o un cuadruplicador de voltaje o así sucesivamente para obtener voltajes de CC altos.

Para obtener una mejor comprensión, consideremos un circuito que multiplica el voltaje por un factor de 2. Este circuito se puede llamar como Voltage Doubler. La siguiente figura muestra el circuito de un duplicador de voltaje.

El voltaje de entrada aplicado será una señal de CA que tiene la forma de una onda sinusoidal como se muestra en la figura siguiente.

Trabajando

El circuito multiplicador de voltaje se puede entender analizando cada medio ciclo de la señal de entrada. Cada ciclo hace que los diodos y los condensadores funcionen de forma diferente. Tratemos de entender esto.

During the first positive half cycle - Cuando se aplica la señal de entrada, el condensador $C_{1}$ se carga y el diodo $D_{1}$está sesgado hacia adelante. Mientras que el diodo$D_{2}$ tiene polarización inversa y el condensador $C_{2}$no recibe ningún cargo. Esto hace que la salida$V_{0}$ ser - estar $V_{m}$

Esto se puede entender en la siguiente figura.

Por tanto, durante 0 a $\pi$, la tensión de salida producida será $V_{max}$. El condensador$C_{1}$ se carga a través del diodo polarizado hacia adelante $D_{1}$ para dar la salida, mientras $C_{2}$no cobra. Este voltaje aparece en la salida.

During the negative half cycle - Después de eso, cuando llega el semiciclo negativo, el diodo $D_{1}$ obtiene polarización inversa y el diodo $D_{2}$se inclina hacia adelante. El diodo$D_{2}$ obtiene la carga a través del condensador $C_{2}$que se carga durante este proceso. La corriente luego fluye a través del condensador.$C_{1}$que descarga. Se puede entender a partir de la siguiente figura.

Por lo tanto, durante $\pi$ a $2\pi$, el voltaje a través del condensador $C_{2}$ estarán $V_{max}$. Mientras que el condensador$C_{1}$que está completamente cargada, tiende a descargarse. Ahora los voltajes de ambos condensadores juntos aparecen en la salida, que es$2V_{max}$. Entonces, el voltaje de salida$V_{0}$ durante este ciclo es $2V_{max}$

During the next positive half cycle - El condensador $C_{1}$ se carga de la fuente y el diodo $D_{1}$se inclina hacia adelante. El condensador$C_{2}$ retiene la carga, ya que no encontrará una manera de descargar y el diodo $D_{2}$obtiene sesgo inverso. Ahora, el voltaje de salida$V_{0}$ de este ciclo obtiene los voltajes de ambos condensadores que juntos aparecen en la salida, que es $2V_{max}$.

During the next negative half cycle - El siguiente medio ciclo negativo hace que el condensador $C_{1}$ para descargar de nuevo de su carga completa y el diodo $D_{1}$ para revertir el sesgo mientras $D_{2}$ adelante y condensador $C_{2}$cargar más para mantener su voltaje. Ahora, el voltaje de salida$V_{0}$ de este ciclo obtiene los voltajes de ambos condensadores que juntos aparecen en la salida, que es $2V_{max}$.

Por lo tanto, el voltaje de salida $V_{0}$ se mantiene para ser $2V_{max}$ durante todo su funcionamiento, lo que hace que el circuito duplique la tensión.

Los multiplicadores de voltaje se utilizan principalmente cuando se requieren altos voltajes de CC. Por ejemplo, tubos de rayos catódicos y pantallas de computadora.

Divisor de voltaje

Mientras que los diodos se utilizan para multiplicar el voltaje, un conjunto de resistencias en serie se puede convertir en una pequeña red para dividir el voltaje. Tales redes se denominanVoltage Divider redes.

El divisor de voltaje es un circuito que convierte un voltaje mayor en uno menor. Esto se hace usando resistencias conectadas en serie. La salida será una fracción de la entrada. El voltaje de salida depende de la resistencia de la carga que impulsa.

Intentemos saber cómo funciona un circuito divisor de voltaje. La siguiente figura es un ejemplo de una red de divisores de voltaje simple.

Si intentamos dibujar una expresión para el voltaje de salida,

$$V_{i}=i\left ( R_{1}+R_{2} \right )$$

$$i=\frac{V-{i}}{\left ( R_{1}+R_{2} \right )}$$

$$V_{0}=i \:R_{2}\rightarrow \:i\:=\frac{V_{0}}{R_{2}}$$

Comparando ambos,

$$\frac{V_{0}}{R_{2}}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}$$

$$V_{0}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}R_{2}$$

Ésta es la expresión para obtener el valor del voltaje de salida. Por lo tanto, el voltaje de salida se divide dependiendo de los valores de resistencia de las resistencias en la red. Se agregan más resistencias para tener diferentes fracciones de diferentes voltajes de salida.

Tengamos un problema de ejemplo para comprender más sobre los divisores de voltaje.

Ejemplo

Calcule el voltaje de salida de una red que tenga un voltaje de entrada de 10v con dos resistencias en serie de 2kΩ y 5kΩ.

El voltaje de salida $V_{0}$ es dado por

$$V_{0}=\frac{V_{i}}{\left ( R_1 + R_{2} \right )}R_{2}$$

$$=\frac{10}{\left ( 2 + 5 \right )k\Omega }5k\Omega$$

$$=\frac{10}{7}\times 5=\frac{50}{7}$$

$$=7.142v$$

El voltaje de salida $V_0$ para el problema anterior es 7.14v

El diodo es una unión PN de dos terminales que se puede utilizar en varias aplicaciones. Una de esas aplicaciones es un interruptor eléctrico. La unión PN, cuando está polarizada hacia adelante actúa como circuito cerrado y cuando está polarizada hacia atrás actúa como circuito abierto. Por lo tanto, el cambio de estados polarizados hacia adelante y hacia atrás hace que el diodo funcione como un interruptor, elforward siendo ON y el reverse siendo OFF estado.

Interruptores eléctricos sobre interruptores mecánicos

Los interruptores eléctricos son una opción preferida sobre los interruptores mecánicos debido a las siguientes razones:

  • Los interruptores mecánicos son propensos a la oxidación de metales, mientras que los interruptores eléctricos no.
  • Los interruptores mecánicos tienen contactos móviles.
  • Son más propensos a sufrir tensiones y tensiones que los interruptores eléctricos.
  • El desgaste y el desgarro de los interruptores mecánicos a menudo afectan su funcionamiento.

Por tanto, un interruptor eléctrico es más útil que un interruptor mecánico.

Funcionamiento del diodo como interruptor

Siempre que se excede un voltaje especificado, la resistencia del diodo aumenta, lo que hace que el diodo tenga polarización inversa y actúe como un interruptor abierto. Siempre que el voltaje aplicado está por debajo del voltaje de referencia, la resistencia del diodo disminuye, haciendo que el diodo esté polarizado hacia adelante y actúa como un interruptor cerrado.

El siguiente circuito explica el diodo que actúa como interruptor.

Un diodo de conmutación tiene una unión PN en la que la región P está ligeramente dopada y la región N está muy dopada. El circuito anterior simboliza que el diodo se enciende cuando el voltaje positivo hacia adelante polariza el diodo y se apaga cuando el voltaje negativo polariza el diodo.

El sonar

A medida que la corriente directa fluye hasta entonces, con un voltaje inverso repentino, la corriente inversa fluye por un momento en lugar de apagarse inmediatamente. Cuanto mayor sea la corriente de fuga, mayor será la pérdida. El flujo de corriente inversa cuando el diodo tiene polarización inversa repentinamente, a veces puede crear pocas oscilaciones, llamadas comoRINGING.

Esta condición de timbre es una pérdida y, por lo tanto, debe minimizarse. Para hacer esto, deben entenderse los tiempos de conmutación del diodo.

Tiempos de cambio de diodo

Al cambiar las condiciones de polarización, el diodo experimenta un transient response. La respuesta de un sistema a cualquier cambio repentino desde una posición de equilibrio se denomina respuesta transitoria.

El cambio repentino de polarización de avance a retroceso y de retroceso a avance afecta al circuito. El tiempo necesario para responder a cambios tan repentinos es el criterio importante para definir la eficacia de un interruptor eléctrico.

  • El tiempo que tarda el diodo en recuperar su estado estable se denomina Recovery Time.

  • El intervalo de tiempo que toma el diodo para cambiar del estado de polarización inversa al estado de polarización directa se denomina Forward Recovery Time.($t_{fr}$)

  • El intervalo de tiempo que toma el diodo para cambiar del estado de polarización directa a un estado de polarización inversa se denomina Reverse Recovery Time. ($t_{fr}$)

Para entender esto más claramente, intentemos analizar qué sucede una vez que se aplica el voltaje a un diodo PN de conmutación.

Concentración de portadores

La concentración de portadores de carga minoritarios se reduce exponencialmente cuando se ve lejos de la unión. Cuando se aplica el voltaje, debido a la condición de polarización directa, la mayoría de los portadores de un lado se mueven hacia el otro. Se convierten en portadores minoritarios del otro lado. Esta concentración será más en el cruce.

Por ejemplo, si se considera el tipo N, el exceso de agujeros que entran en el tipo N después de aplicar polarización directa se suma a los portadores minoritarios ya presentes de material de tipo N.

Consideremos algunas notaciones.

  • La mayoría de los portadores en tipo P (agujeros) = $P_{po}$
  • La mayoría de los portadores de tipo N (electrones) = $N_{no}$
  • Los portadores minoritarios en tipo P (electrones) = $N_{po}$
  • La mayoría de portadores en tipo N (agujeros) = $P_{no}$

During Forward biased Condition- Los transportistas minoritarios están más cerca del cruce y menos lejos del cruce. El siguiente gráfico explica esto.

Exceso de cargo de operador minoritario en tipo P = $P_n-P_{no}$ con $p_{no}$ (valor de estado estable)

Exceso de cargo de operador minoritario en tipo N = $N_p-N_{po}$ con $N_{po}$ (valor de estado estable)

During reverse bias condition- Los transportistas mayoritarios no conducen la corriente a través del cruce y, por lo tanto, no participan en la condición actual. El diodo de conmutación se comporta como un cortocircuito, por ejemplo, en dirección inversa.

Los transportistas minoritarios cruzarán el cruce y conducirán la corriente, que se llama como Reverse Saturation Current. El siguiente gráfico representa la condición durante el sesgo inverso.

En la figura anterior, la línea de puntos representa los valores de equilibrio y las líneas continuas representan los valores reales. Como la corriente debida a los portadores de carga minoritarios es lo suficientemente grande para conducir, el circuito estará ENCENDIDO hasta que se elimine este exceso de carga.

El tiempo necesario para que el diodo cambie de polarización directa a polarización inversa se denomina Reverse recovery time ($t_{rr}$). Los siguientes gráficos explican en detalle los tiempos de conmutación de diodos.

De la figura anterior, consideremos el gráfico de corriente del diodo.

A $t_{1}$el diodo se lleva repentinamente al estado APAGADO desde el estado ENCENDIDO; se conoce como tiempo de almacenamiento.Storage timees el tiempo necesario para eliminar el cargo excedente del operador minoritario. La corriente negativa que fluye de material de tipo N a P es considerable durante el tiempo de almacenamiento. Esta corriente negativa es,

$$-I_R= \frac{-V_{R}}{R}$$

El próximo período de tiempo es el transition time" (desde $t_2$ a $t_3$)

El tiempo de transición es el tiempo que tarda el diodo en llegar completamente a la condición de circuito abierto. Después$t_3$El diodo estará en condición de polarización inversa de estado estable. antes de$t_1$ El diodo está en condición de polarización directa de estado estable.

Entonces, el tiempo necesario para llegar completamente a la condición de circuito abierto es

$$Reverse \:\:recovery\:\: time\left ( t_{rr} \right )= Storage \:\:time \left ( T_{s} \right )+Transition \:\: time \left ( T_{t} \right )$$

Mientras que para llegar a la condición de ENCENDIDO desde APAGADO, se necesita menos tiempo llamado como Forward recovery time. El tiempo de recuperación inverso es mayor que el tiempo de recuperación directo. Un diodo funciona como un mejor interruptor si este tiempo de recuperación inversa se reduce.

Definiciones

Repasemos las definiciones de los períodos de tiempo discutidos.

  • Storage time - El período de tiempo durante el cual el diodo permanece en el estado de conducción incluso en el estado de polarización inversa se denomina Storage time.

  • Transition time - El tiempo transcurrido para volver al estado de no conducción, es decir, polarización inversa en estado estable, se denomina Transition time.

  • Reverse recovery time - El tiempo necesario para que el diodo cambie de polarización directa a polarización inversa se denomina Reverse recovery time.

  • Forward recovery time - El tiempo requerido para que el diodo cambie de polarización inversa a polarización directa se denomina como Forward recovery time.

Factores que afectan los tiempos de conmutación de diodos

Hay algunos factores que afectan los tiempos de conmutación de diodos, como

  • Diode Capacitance - La capacitancia de la unión PN cambia dependiendo de las condiciones de polarización.

  • Diode Resistance - La resistencia que ofrece el diodo para cambiar su estado.

  • Doping Concentration - El nivel de dopaje del diodo afecta a los tiempos de conmutación del diodo.

  • Depletion Width- Cuanto más estrecha sea la anchura de la capa de agotamiento, más rápido será el cambio. Un diodo Zener tiene una región de agotamiento más estrecha que un diodo de avalancha, lo que hace que el primero sea un mejor interruptor.

Aplicaciones

Hay muchas aplicaciones en las que se utilizan circuitos de conmutación de diodos, como:

  • Circuitos rectificadores de alta velocidad
  • Circuitos de conmutación de alta velocidad
  • Receptores de RF
  • Aplicaciones de propósito general
  • Aplicaciones de consumo
  • Aplicaciones automotrices
  • Aplicaciones de telecomunicaciones, etc.

Este capítulo proporciona un nuevo comienzo con respecto a otra sección de circuitos de diodos. Esto brinda una introducción a los circuitos de suministro de energía con los que nos encontramos en nuestra vida diaria. Cualquier dispositivo electrónico consta de una unidad de suministro de energía que proporciona la cantidad requerida de suministro de energía de CA o CC a varias secciones de ese dispositivo electrónico.

Necesidad de fuentes de alimentación

Hay muchas secciones pequeñas presentes en los dispositivos electrónicos como computadora, televisión, osciloscopio de rayos catódicos, etc. pero todas esas secciones no necesitan el suministro de 230 V CA que obtenemos.

En su lugar, una o más secciones pueden necesitar una CC de 12 V, mientras que otras pueden necesitar una CC de 30 V. Para proporcionar los voltajes de CC requeridos, la fuente de alimentación de 230 V CA de entrada debe convertirse en CC pura para su uso. losPower supply units sirven para el mismo propósito.

Una unidad de fuente de alimentación práctica se ve como la siguiente figura.

Veamos ahora las diferentes partes que componen una unidad de fuente de alimentación.

Partes de una fuente de alimentación

Una unidad de fuente de alimentación típica consta de lo siguiente.

  • Transformer - Un transformador de entrada para la reducción de la fuente de alimentación de 230v AC.

  • Rectifier - Un circuito rectificador para convertir los componentes de CA presentes en la señal en componentes de CC.

  • Smoothing - Un circuito de filtrado para suavizar las variaciones presentes en la salida rectificada.

  • Regulator - Un circuito regulador de voltaje para controlar el voltaje a un nivel de salida deseado.

  • Load - La carga que utiliza la salida de CC pura de la salida regulada.

Diagrama de bloques de una unidad de fuente de alimentación

El diagrama de bloques de una unidad de fuente de alimentación regulada se muestra a continuación.

En el diagrama anterior, es evidente que el transformador está presente en la etapa inicial. Aunque ya habíamos analizado el concepto de transformadores en el tutorial de ELECTRÓNICA BÁSICA, echémosle un vistazo.

Transformador

Un transformador tiene un primary coil a la que input se da y un secondary coil de donde el outputse recoge. Ambas bobinas están enrolladas en un material de núcleo. Por lo general, un aislante forma elCore del transformador.

La siguiente figura muestra un práctico transformador.

De la figura anterior, es evidente que algunas notaciones son comunes. Son los siguientes:

  • $N_{p}$ = Número de vueltas en el devanado primario

  • $N_{s}$ = Número de vueltas en el devanado secundario

  • $I_{p}$ = Corriente que fluye en el primario del transformador

  • $I_{s}$ = Corriente que fluye en el secundario del transformador

  • $V_{p}$ = Voltaje a través del primario del transformador

  • $V_{s}$ = Voltaje a través del secundario del transformador

  • $\phi$ = Flujo magnético presente alrededor del núcleo del transformador

Transformador en un circuito

La siguiente figura muestra cómo se representa un transformador en un circuito. El devanado primario, el devanado secundario y el núcleo del transformador también se representan en la siguiente figura.

Por lo tanto, cuando se conecta un transformador en un circuito, el suministro de entrada se da a la bobina primaria para que produzca un flujo magnético variable con esta fuente de alimentación y ese flujo se induce en la bobina secundaria del transformador, lo que produce la EMF variable de el flujo variable. Como el flujo debe variar, para la transferencia de EMF de primario a secundario, un transformador siempre funciona con corriente alterna CA.

Dependiendo del número de vueltas en el devanado secundario, un transformador puede clasificarse como Step-up o un Step-down transformador.

Transformador elevador

Cuando el devanado secundario tiene más vueltas que el devanado primario, se dice que el transformador es un Step-uptransformador. Aquí, la EMF inducida es mayor que la señal de entrada.

La siguiente figura muestra el símbolo de un transformador elevador.

Transformador reductor

Cuando el devanado secundario tiene un número menor de vueltas que el devanado primario, se dice que el transformador es un Step-downtransformador. Aquí la EMF inducida es menor que la señal de entrada.

La siguiente figura muestra el símbolo de un transformador reductor.

En nuestros circuitos de suministro de energía, utilizamos el Step-down transformer, ya que necesitamos reducir la potencia de CA a CC. La salida de este transformador reductor será de menor potencia y esto se dará como entrada a la siguiente sección, llamadarectifier. Discutiremos sobre los rectificadores en el próximo capítulo.

Siempre que surge la necesidad de convertir una corriente alterna en corriente continua, un circuito rectificador viene al rescate. Un diodo de unión PN simple actúa como rectificador. Las condiciones de polarización directa y inversa del diodo hacen la rectificación.

Rectificación

Una corriente alterna tiene la propiedad de cambiar su estado continuamente. Esto se entiende observando la onda sinusoidal mediante la cual se indica una corriente alterna. Aumenta en su dirección positiva va a un valor máximo positivo, se reduce desde allí a normal y nuevamente va a la porción negativa y alcanza el pico negativo y nuevamente vuelve a la normalidad y continúa.

Durante su recorrido en la formación de onda, podemos observar que la onda va en direcciones positivas y negativas. En realidad se altera por completo y de ahí el nombre de corriente alterna.

Pero durante el proceso de rectificación, esta corriente alterna se convierte en corriente continua DC. La onda que fluye tanto en dirección positiva como negativa hasta entonces, tendrá su dirección restringida solo a la dirección positiva, cuando se convierta a DC. Por lo tanto, se permite que la corriente fluya solo en dirección positiva y se resista en dirección negativa, tal como se muestra en la figura siguiente.

El circuito que realiza la rectificación se llama Rectifier circuit. Un diodo se utiliza como rectificador para construir un circuito rectificador.

Tipos de circuitos rectificadores

Hay dos tipos principales de circuitos rectificadores, según su salida. Son

  • Rectificador de media onda
  • Rectificador de onda completa

Un circuito rectificador de media onda rectifica solo semiciclos positivos de la fuente de entrada, mientras que un circuito rectificador de onda completa rectifica tanto semiciclos positivos como negativos de la fuente de entrada.

Rectificador de media onda

El nombre rectificador de media onda en sí mismo establece que el rectification se hace solo por halfdel ciclo. La señal de CA se da a través de un transformador de entrada que aumenta o disminuye según el uso. En la mayoría de los casos, se utiliza un transformador reductor en circuitos rectificadores para reducir el voltaje de entrada.

La señal de entrada dada al transformador pasa a través de un diodo de unión PN que actúa como rectificador. Este diodo convierte el voltaje de CA en CC pulsante solo durante los semiciclos positivos de la entrada. Una resistencia de carga está conectada al final del circuito. La siguiente figura muestra el circuito de un rectificador de media onda.

Funcionamiento de un HWR

TLa señal de entrada se envía al transformador que reduce los niveles de voltaje. La salida del transformador se da al diodo que actúa como rectificador. Este diodo se enciende (conduce) para semiciclos positivos de señal de entrada. Por lo tanto, una corriente fluye en el circuito y habrá una caída de voltaje a través de la resistencia de carga. El diodo se APAGA (no conduce) para semiciclos negativos y, por lo tanto, la salida para semiciclos negativos será,$i_{D} = 0$ y $V_{o}=0$.

Por lo tanto, la salida está presente solo para semiciclos positivos del voltaje de entrada (despreciando la corriente de fuga inversa). Esta salida será pulsante que se toma a través de la resistencia de carga.

Formas de onda de un HWR

Las formas de onda de entrada y salida se muestran en la siguiente figura.

Por tanto, la salida de un rectificador de media onda es una corriente continua pulsante. Intentemos analizar el circuito anterior comprendiendo algunos valores que se obtienen de la salida del rectificador de media onda.

Análisis del rectificador de media onda

Para analizar un circuito rectificador de media onda, consideremos la ecuación del voltaje de entrada.

$$v_{i}=V_{m} \sin \omega t$$

$V_{m}$ es el valor máximo de la tensión de alimentación.

Supongamos que el diodo es ideal.

  • La resistencia en la dirección de avance, es decir, en el estado ON es $R_f$.
  • La resistencia en la dirección inversa, es decir, en el estado APAGADO es $R_r$.

La corriente i en el diodo o la resistencia de carga $R_L$ es dado por

$i=I_m \sin \omega t \quad for\quad 0\leq \omega t\leq 2 \pi$

$ i=0 \quad\quad\quad\quad for \quad \pi\leq \omega t\leq 2 \pi$

Dónde

$$I_m= \frac{V_m}{R_f+R_L}$$

Corriente de salida DC

La corriente media $I_{dc}$ es dado por

$$I_{dc}=\frac{1}{2 \pi}\int_{0}^{2 \pi} i \:d\left ( \omega t \right )$$

$$=\frac{1}{2 \pi}\left [ \int_{0}^{\pi}I_m \sin \omega t \:d\left ( \omega t \right )+\int_{0}^{2 \pi}0\: d\left ( \omega t \right )\right ]$$

$$=\frac{1}{2 \pi}\left [ I_m\left \{-\cos \omega t \right \}_{0}^{\pi} \right ]$$

$$=\frac{1}{2 \pi}\left [ I_m\left \{ +1-\left ( -1 \right ) \right \} \right ]=\frac{I_m}{\pi}=0.318 I_m$$

Sustituyendo el valor de $I_m$, obtenemos

$$I_{dc}=\frac{V_m}{\pi\left ( R_f+R_L \right )}$$

Si $R_L >> R_f$, luego

$$I_{dc}=\frac{V_m}{\pi R_L}=0.318 \frac{V_m}{R_L}$$

Voltaje de salida DC

La tensión de salida CC viene dada por

$$ V_{dc}=I_{dc}\times R_L=\frac{I_m}{\pi}\times R_L$$

$$=\frac{V_m\times R_L}{\pi\left (R_f+R_L \right )}=\frac{V_m}{\pi\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

Si $R_L>>R_f$, luego

$$V_{dc}=\frac{V_m}{\pi}=0.318 V_m$$

Corriente y voltaje RMS

El valor de la corriente RMS viene dado por

$$I_{rms}=\left [ \frac{1}{2 \pi}\int_{0}^{2\pi} i^{2} d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$I_{rms}=\left [ \frac{1}{2 \pi}\int_{0}^{2\pi}I_{m}^{2} \sin^{2}\omega t \:d\left (\omega t \right ) +\frac{1}{2\pi}\int_{\pi}^{2\pi} 0 \:d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{2 \pi}\int_{0}^{\pi}\left ( \frac{1-\cos 2 \omega t}{2} \right )d\left ( \omega t \right ) \right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{4 \pi}\left \{ \left ( \omega t \right )-\frac{\sin 2 \omega t}{2} \right \}_{0}^{\pi}\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{4 \pi}\left \{ \pi - 0 - \frac{\sin 2 \pi}{2}+ \sin 0 \right \} \right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{4 \pi} \right ]^{\frac{1}{2}}=\frac{I_m}{2}$$

$$=\frac{V_m}{2\left ( R_f+R_L \right )}$$

El voltaje RMS a través de la carga es

$$V_{rms}=I_{rms} \times R_L= \frac{V_m \times R_L}{2\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{V_m}{2\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

Si $R_L>>R_f$, luego

$$V_{rms}=\frac{V_m}{2}$$

Eficiencia del rectificador

Cualquier circuito debe ser eficiente en su funcionamiento para obtener una mejor salida. Para calcular la eficiencia de un rectificador de media onda, se debe considerar la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada.

La eficiencia del rectificador se define como

$$\eta =\frac{d.c.power\:\: delivered \:\: to \:\: the \:\: load}{a.c.input \:\: power\:\:from\:\:transformer\:\:secondary}=\frac{P_{ac}}{P_{dc}}$$

Ahora

$$P_{dc}=\left ( {I_{dc}} \right )^2 \times R_L=\frac{I_m R_L}{\pi^2}$$

Más lejos

$$P_{ac}=P_a+P_r$$

Dónde

$P_a = power \:dissipated \:at \:the \:junction \:of \:diode$

$$=I_{rms}^{2}\times R_f=\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_f$$

Y

$$P_r = power \:dissipated \:in \:the \:load \:resistance$$

$$=I_{rms}^{2}\times R_L=\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_L$$

$$P_{ac}=\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_f+\frac{I_{m}^{2}}{4}\times R_L =\frac{I_{m}^{2}}{4}\left ( R_f+R_L \right )$$

De ambas expresiones de $P_{ac}$ y $P_{dc}$, podemos escribir

$$\eta =\frac{I_{m}^{2}R_L/\pi^2}{I_{m}^{2}\left ( R_f+R_L \right )/4}=\frac{4}{\pi^2}\frac{R_L}{\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{4}{\pi^2}\frac{1}{\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}=\frac{0.406}{\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

Porcentaje de eficiencia del rectificador

$$\eta =\frac{40.6}{\lbrace1+\lgroup\: R_{f}/R_{L}\rgroup\rbrace}$$

Teóricamente, el valor máximo de eficiencia del rectificador de un rectificador de media onda es 40,6% cuando $R_{f}/R_{L} = 0$

Además, la eficiencia se puede calcular de la siguiente manera

$$\eta =\frac{P_{dc}}{P_{ac}}=\frac{\left (I_{dc} \right )^2R_L}{\left ( I_{rms} \right )^2R_L}=\frac{\left ( V_{dc}/R_L \right )^2R_L}{\left (V_{rms}/R_L \right )^2R_L} =\frac{\left ( V_{dc} \right )^2}{\left ( V_{rms} \right )^2}$$

$$=\frac{\left ( V_m/ \pi \right )^2}{\left ( V_m/2 \right )^2}=\frac{4}{\pi^2}=0.406$$

$$=40.6\%$$

Factor de ondulación

La salida rectificada contiene cierta cantidad de componente de CA presente en ella, en forma de ondas. Esto se entiende observando la forma de onda de salida del rectificador de media onda. Para obtener una cd pura, necesitamos tener una idea sobre este componente.

El factor de ondulación da la ondulación de la salida rectificada. Se denota pory. Esto se puede definir como la relación entre el valor efectivo del componente de CA de voltaje o corriente y el valor directo o valor promedio.

$$\gamma =\frac{ripple \: voltage}{d.c \:voltage} =\frac{rms\:value\:of\: a.c.component}{d.c.value\:of\:wave}=\frac{\left ( V_r \right )_{rms}}{v_{dc}}$$

Aquí,

$$\left ( V_r \right )_{rms}=\sqrt{V_{rms}^{2}-V_{dc}^{2}}$$

Por lo tanto,

$$\gamma =\frac{\sqrt{V_{rms}^{2}-V_{dc}^{2}}}{V_{dc}}=\sqrt{\left (\frac{V_{rms}}{V_{dc}} \right )^2-1}$$

Ahora,

$$V_{rms}=\left [ \frac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi} V_{m}^{2} \sin^2\omega t\:d\left ( \omega t \right ) \right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=V_m\left [ \frac{1}{4\pi} \int_{0}^{\pi}\left ( 1- \cos2 \:\omega t \right )d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}=\frac{V_m}{2}$$

$$V_{dc}=V_{av}=\frac{1}{2\pi}\left [ \int_{0}^{\pi}V_m \sin \omega t \:d\left ( \omega t \right )+\int_{0}^{2\pi} 0.d\left ( \omega t \right )\right ]$$

$$=\frac{V_m}{2 \pi}\left [ -\cos \omega t \right ]_{0}^{\pi}=\frac{V_m}{\pi}$$

$$\gamma =\sqrt{\left [ \left \{ \frac{\left ( V_m/2 \right )}{\left ( V_m/\pi \right )} \right \}^2-1 \right ]}=\sqrt{\left \{ \left ( \frac{\pi}{2} \right )^2-1 \right \}}=1.21$$

El factor de ondulación también se define como

$$\gamma =\frac{\left ( I_r \right )_{rms}}{I_{dc}}$$

Como el valor del factor de rizado presente en un rectificador de media onda es 1.21, significa que la cantidad de CA presente en la salida es $121\%$ de la tensión continua

Regulación

La corriente a través de la carga puede variar dependiendo de la resistencia de la carga. Pero incluso en tal condición, esperamos que nuestro voltaje de salida que se toma a través de esa resistencia de carga sea constante. Por lo tanto, nuestro voltaje debe regularse incluso en diferentes condiciones de carga.

La variación del voltaje de salida de CC con el cambio en la corriente de carga de CC se define como Regulation. La regulación porcentual se calcula de la siguiente manera.

$$Percentage\:regulation=\frac{V_{no \:load}-V_{full\:load}}{V_{full\:load}} \times 100\%$$

Cuanto menor sea la regulación porcentual, mejor será la fuente de alimentación. Una fuente de alimentación ideal tendrá una regulación de porcentaje cero.

Factor de utilización del transformador

La potencia de CC que se entregará a la carga en un circuito rectificador decide la clasificación del transformador utilizado en un circuito.

Entonces, el factor de utilización del transformador se define como

$$TUF=\frac{d.c.power\:to\:be\:delivered\:to\:the\:load}{a.c.rating\:of\:the\:transformer\:secondary}$$

$$=\frac{P_{d.c}}{P_{a.c\left ( rated \right )}}$$

Según la teoría del transformador, la tensión nominal del secundario será

$$V_m/\sqrt{2}$$

El voltaje RMS real que fluye a través de él será

$$I_m/2$$

Por lo tanto

$$TUF=\frac{\left ( I_m/\pi \right )^2\times R_L}{\left ( V_m/\sqrt{2} \right )\times\left ( I_m/2 \right )}$$

Pero

$$V_m=I_m\left ( R_f+R_L \right )$$

Por lo tanto

$$TUF=\frac{\left ( I_m/\pi \right )^2\times R_L}{\left \{ I_m\left ( R_f+R_L \right )/\sqrt{2} \right \}\times \left ( I_m/2 \right )}$$

$$=\frac{2\sqrt{2}}{\pi^2}\times \frac{R_L}{\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{2\sqrt{2}}{\pi^2} = 0.287$$

Voltaje pico inverso

Cuando se conecta un diodo en polarización inversa, se debe operar bajo un nivel controlado de voltaje. Si se excede ese voltaje seguro, el diodo se daña. Por tanto, es muy importante conocer ese voltaje máximo.

El voltaje inverso máximo que el diodo puede soportar sin ser destruido se llama Peak Inverse Voltage. En breve,PIV.

Aquí el PIV no es más que Vm

Factor de forma

Esto puede entenderse como la media matemática de los valores absolutos de todos los puntos de la forma de onda. losform factorse define como la relación entre el valor RMS y el valor medio. Se denota porF.

$$F=\frac{rms\:value}{average\:value}=\frac{I_m/2}{I_m/\pi}=\frac{0.5I_m}{0.318I_m}=1.57$$

Factor de pico

Se debe considerar el valor del pico en la ondulación para saber qué tan efectiva es la rectificación. El valor del factor pico también es una consideración importante.Peak factor se define como la relación entre el valor pico y el valor RMS.

Por lo tanto

$$Peak Factor=\frac{Peak\:value}{r.m.s\:value}=\frac{V_m}{V_m/2}=2$$

Todos estos son los parámetros importantes a considerar al estudiar sobre un rectificador.

Un circuito rectificador que rectifica los semiciclos positivo y negativo puede denominarse rectificador de onda completa, ya que rectifica el ciclo completo. La construcción de un rectificador de onda completa se puede realizar en dos tipos. Son

  • Rectificador de onda completa con toma central
  • Puente rectificador de onda completa

Ambos tienen sus ventajas y desventajas. Repasemos ahora su construcción y trabajando junto con sus formas de onda para saber cuál es mejor y por qué.

Rectificador de onda completa con rosca central

Un circuito rectificador cuyo secundario del transformador se toma para obtener el voltaje de salida deseado, usando dos diodos alternativamente, para rectificar el ciclo completo se llama como Center-tapped Full wave rectifier circuit. El transformador tiene una toma central aquí a diferencia de los otros casos.

Las características de un transformador de derivación central son:

  • El roscado se realiza dibujando una guía en el punto medio del devanado secundario. Este devanado se divide en dos mitades iguales al hacerlo.

  • El voltaje en el punto medio de la toma es cero. Esto forma un punto neutral.

  • La derivación central proporciona dos voltajes de salida separados que son iguales en magnitud pero opuestos en polaridad entre sí.

  • Se pueden extraer varias tomas para obtener diferentes niveles de voltajes.

El transformador de derivación central con dos diodos rectificadores se utiliza en la construcción de un Center-tapped full wave rectifier. El diagrama del circuito de un rectificador de onda completa con derivación central es como se muestra a continuación.

Funcionamiento de un CT- FWR

El funcionamiento de un rectificador de onda completa con toma central se puede entender en la figura anterior. Cuando se aplica el semiciclo positivo de la tensión de entrada, el punto M en el secundario del transformador se vuelve positivo con respecto al punto N. Esto hace que el diodo$D_1$sesgado hacia adelante. Por lo tanto actual$i_1$ fluye a través de la resistencia de carga de A a B. Ahora tenemos los semiciclos positivos en la salida

Cuando se aplica el semiciclo negativo del voltaje de entrada, el punto M en el secundario del transformador se vuelve negativo con respecto al punto N. Esto hace que el diodo $D_2$sesgado hacia adelante. Por lo tanto actual$i_2$ fluye a través de la resistencia de carga de A a B. Ahora tenemos los semiciclos positivos en la salida, incluso durante los semiciclos negativos de la entrada.

Formas de onda de CT FWR

Las formas de onda de entrada y salida del rectificador de onda completa con toma central son las siguientes.

De la figura anterior es evidente que la salida se obtiene tanto para los semiciclos positivos como para los negativos. También se observa que la salida a través de la resistencia de carga está en elsame direction para ambos semiciclos.

Voltaje pico inverso

Como el voltaje máximo en la mitad del devanado secundario es $V_m$, todo el voltaje secundario aparece a través del diodo no conductor. Por lo tanto, lapeak inverse voltage es el doble del voltaje máximo en el devanado medio secundario, es decir

$$PIV=2V_m$$

Desventajas

Hay algunas desventajas para un rectificador de onda completa con toma central, como:

  • La ubicación de la rosca central es difícil
  • El voltaje de salida de CC es pequeño
  • El PIV de los diodos debe ser alto

El siguiente tipo de circuito rectificador de onda completa es el Bridge Full wave rectifier circuit.

Rectificador de puente de onda completa

Este es un circuito rectificador de onda completa que utiliza cuatro diodos conectados en forma de puente para no solo producir la salida durante el ciclo completo de entrada, sino también para eliminar las desventajas del circuito rectificador de onda completa con toma central.

No hay necesidad de ninguna derivación central del transformador en este circuito. Cuatro diodos llamados$D_1$, $D_2$, $D_3$ y $D_4$se utilizan en la construcción de una red de tipo puente de modo que dos de los diodos conduzcan durante un medio ciclo y dos conduzcan durante el otro medio ciclo del suministro de entrada. El circuito de un puente rectificador de onda completa es como se muestra en la siguiente figura.

Funcionamiento de un rectificador de puente de onda completa

El rectificador de onda completa con cuatro diodos conectados en circuito puente se emplea para obtener una mejor respuesta de salida de onda completa. Cuando se da el semiciclo positivo de la oferta de entrada, el punto P se vuelve positivo con respecto al puntoQ. Esto hace que el diodo$D_1$ y $D_3$ hacia adelante sesgado mientras $D_2$ y $D_4$polarización inversa. Estos dos diodos ahora estarán en serie con la resistencia de carga.

La siguiente figura indica esto junto con el flujo de corriente convencional en el circuito.

De ahí los diodos $D_1$ y $D_3$Conducir durante el semiciclo positivo de la fuente de entrada para producir la salida a lo largo de la resistencia de carga. Como dos diodos funcionan para producir la salida, el voltaje será el doble del voltaje de salida del rectificador de onda completa con toma central.

Cuando se da el semiciclo negativo de la oferta de entrada, el punto P se vuelve negativo con respecto al punto Q. Esto hace que el diodo$D_1$ y $D_3$ inversa sesgada mientras $D_2$ y $D_4$sesgado hacia adelante. Estos dos diodos ahora estarán en serie con la resistencia de carga.

La siguiente figura indica esto junto con el flujo de corriente convencional en el circuito.

De ahí los diodos $D_{2}$ y $D_{4}$Conducir durante el semiciclo negativo de la fuente de entrada para producir la salida a lo largo de la resistencia de carga. Aquí también funcionan dos diodos para producir el voltaje de salida. La corriente fluye en la misma dirección que durante el semiciclo positivo de la entrada.

Formas de onda del puente FWR

Las formas de onda de entrada y salida del rectificador de onda completa con toma central son las siguientes.

De la figura anterior, es evidente que la salida se obtiene para los semiciclos positivos y negativos. También se observa que la salida a través de la resistencia de carga está en elsame direction para ambos semiciclos.

Voltaje pico inverso

Siempre que dos de los diodos estén en paralelo al secundario del transformador, el voltaje secundario máximo a través del transformador aparece en los diodos no conductores, lo que hace que el PIV del circuito rectificador. Por lo tanto, lapeak inverse voltage es el voltaje máximo a través del devanado secundario, es decir

$$PIV=V_m$$

Ventajas

Hay muchas ventajas para un rectificador de puente de onda completa, tales como:

  • No es necesario realizar un golpe central.
  • El voltaje de salida de CC es el doble que el del FWR del tapper central.
  • El PIV de los diodos tiene la mitad del valor que el del FWR del tapper central.
  • El diseño del circuito es más fácil con una mejor salida.

Analicemos ahora las características de un rectificador de onda completa.

Análisis del rectificador de onda completa

Para analizar un circuito rectificador de onda completa, supongamos que el voltaje de entrada $V_{i}$ como,

$$V_{i}=V_m \sin \omega t$$

La corriente $i_1$ a través de la resistencia de carga $R_L$ es dado por

$$i_1=I_m \sin \omega t \quad for \quad0 \leq \omega t \leq \pi$$

$$i_1=\quad0 \quad\quad\quad for \quad \pi \leq \omega t \leq 2\pi$$

Dónde

$$I_m=\frac{V_m}{R_f+R_L}$$

$R_f$ estando la resistencia del diodo en condición ON.

Del mismo modo, la corriente $i_2$ fluyendo a través del diodo $D_2$ y la resistencia de carga RL está dada por,

$$i_2=\quad\:0 \quad\quad\quad for \quad 0 \leq \omega t \leq \pi$$

$$i_2=I_m \sin \omega t \quad for \quad\pi \leq \omega t \leq 2\pi$$

La corriente total que fluye a través $R_L$ es la suma de las dos corrientes $i_1$ y $i_2$ es decir

$$i=i_1+i_2$$

DC o corriente media

El valor promedio de la corriente de salida que indicará un amperímetro de CC viene dado por

$$I_{dc}=\frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} i_1 \:d\left ( \omega t \right )+\frac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi}i_2 \:d\left ( \omega t \right )$$

$$=\frac{1}{2\pi\int_{0}^{\pi}}I_m \sin \omega t \:d\left ( \omega t \right )+0+0+$$

$$\frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi}I_m \sin \omega t\:d\left ( \omega t \right ) $$

$$=\frac{I_m}{\pi}+ \frac{I_m}{\pi} =\frac{2I_m}{\pi}=0.636I_m$$

Esto es el doble del valor de un rectificador de media onda.

Voltaje de salida DC

El voltaje de salida de CC a través de la carga está dado por

$$V_{dc}=I_{dc}\times R_L = \frac{2I_mR_L}{\pi}=0.636I_mR_L$$

Por lo tanto, el voltaje de salida de CC es el doble que el de un rectificador de media onda.

Corriente RMS

El valor RMS de la corriente viene dado por

$$I_{rms}=\left [ \frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi} t^2 \:d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

Dado que la corriente es de la misma forma en las dos mitades

$$=\left [ \frac{I_{m}^{2}}{\pi} \int_{0}^{\pi }\sin^2 \omega t\:d\left ( \omega t \right )\right ]^{\frac{1}{2}}$$

$$=\frac{I_m}{\sqrt{2}}$$

Eficiencia del rectificador

La eficiencia del rectificador se define como

$$\eta=\frac{P_{dc}}{P_{ac}}$$

Ahora,

$$P_{dc}=\left (V_{dc} \right )^2/R_L=\left ( 2V_m/\pi \right )^2$$

Y,

$$P_{ac}=\left (V_{rms} \right )^2/R_L=\left (V_m/\sqrt{2} \right )^2$$

Por lo tanto,

$$\eta =\frac{P_{dc}}{P_{ac}}=\frac{\left (2V_m/\pi \right )^2}{\left ( V_m/\sqrt{2} \right )^2}=\frac{8}{\pi^2}$$

$$=0.812=81.2\%$$

La eficiencia del rectificador se puede calcular de la siguiente manera:

La potencia de salida de CC,

$$P_{dc}=I_{dc}^{2}R_L=\frac{4I_{m}^{2}}{\pi^2}\times R_L$$

La potencia de entrada de CA,

$$P_{ac}=I_{rms}^{2}\left (R_f+R_L \right )=\frac{I_{m}^{2}}{2}\left ( R_f+R_L \right )$$

Por lo tanto,

$$\eta=\frac{4I_{m}^{2}R_L/\pi^2}{I_{m}^{2}\left ( R_f+R_L \right )/2}=\frac{8}{\pi^2}\frac{R_L}{\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{0.812}{\left \{ 1+\left ( R_f/R_L \right ) \right \}}$$

Por lo tanto, el porcentaje de eficiencia es

$$=\frac{0.812}{ 1+\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=81.2\% \quad if\: R_f=0$$

Por lo tanto, un rectificador de onda completa tiene una eficiencia dos veces mayor que la de un rectificador de media onda.

Factor de ondulación

El factor de forma del voltaje de salida rectificado de un rectificador de onda completa viene dado por

$$F=\frac{I_{rms}}{I_{dc}}=\frac{I_m/\sqrt{2}}{2I_m/\pi}=1.11$$

El factor de ondulación $\gamma$ se define como (usando la teoría del circuito de ca)

$$\gamma =\left [ \left ( \frac{I_{rms}}{I_{dc}} \right )-1 \right ]^{\frac{1}{2}}=\left ( F^2 -1\right )^{\frac{1}{2}}$$

$$=\left [ \left ( 1.11 \right )^2 -1\right ]^\frac{1}{2}=0.48$$

Esta es una gran mejora con respecto al factor de ondulación del rectificador de media onda que fue de 1,21

Regulación

La tensión de salida de CC está dada por

$$V_{dc}=\frac{2I_mR_L}{\pi}=\frac{2V_mR_L}{\pi\left ( R_f+R_L \right )}$$

$$=\frac{2V_m}{\pi}\left [ 1-\frac{R_f}{R_f+R_L} \right ]=\frac{2V_m}{\pi}-I_{dc}R_f$$

Factor de utilización del transformador

El TUF de un rectificador de media onda es 0.287

Hay dos devanados secundarios en un rectificador con derivación central y, por lo tanto, el TUF del rectificador de onda completa con derivación central es

$$\left ( TUF \right )_{avg}=\frac{P_{dc}}{V-A\:rating\:of\:a\:transformer}$$

$$=\frac{\left ( TUF \right )_p+\left ( TUF \right )_s+\left ( TUF \right )_s}{3}$$

$$=\frac{0.812+0.287+0.287}{3}=0.693$$

Rectificador de media onda vs.

Después de haber analizado todos los valores de los diferentes parámetros del rectificador de onda completa, intentemos comparar y contrastar las características de los rectificadores de media onda y de onda completa.

Condiciones Rectificador de media onda FWR con rosca central Puente FWR
Numero de diodos $1$ $2$ $4$
Toma de transformadores $No$ $Yes$ $No$
Voltaje pico inverso $V_m$ $2V_m$ $V_m$
Máxima eficiencia $40.6\%$ $81.2\%$ $81.2\%$
Corriente media / cc $I_m/\pi$ $2I_m/\pi$ $2I_m/\pi$
Voltaje DC $V_m/\pi$ $2V_m/\pi$ $2V_m/\pi$
Corriente RMS $I_m/2$ $I_m/\sqrt{2}$ $I_m/\sqrt{2}$
Factor de ondulación $1.21$ $0.48$ $0.48$
Frecuencia de salida $f_{in}$ $2f_{in}$ $2f_{in}$

El diagrama de bloques de la fuente de alimentación explica claramente que se necesita un circuito de filtro después del circuito rectificador. Un rectificador ayuda a convertir una corriente alterna pulsante en corriente continua, que fluye solo en una dirección. Hasta ahora, hemos visto diferentes tipos de circuitos rectificadores.

Las salidas de todos estos circuitos rectificadores contienen algún factor de ondulación. También hemos observado que el factor de ondulación de un rectificador de media onda es mayor que el de un rectificador de onda completa.

¿Por qué necesitamos filtros?

La ondulación en la señal denota la presencia de algún componente de CA. Este componente de CA debe eliminarse por completo para obtener una salida de CC pura. Entonces, necesitamos un circuito quesmoothens la salida rectificada en una señal de CC pura.

UN filter circuit es uno que elimina el componente de CA presente en la salida rectificada y permite que el componente de CC alcance la carga.

La siguiente figura muestra la funcionalidad de un circuito de filtro.

Un circuito de filtro se construye utilizando dos componentes principales, inductor y condensador. Ya hemos estudiado en el tutorial de Electrónica Básica que

  • Un inductor permite dc y bloques ac.

  • Un condensador permite ac y bloques dc.

Intentemos construir algunos filtros usando estos dos componentes.

Filtro inductor serie

Como un inductor permite CC y bloquea CA, un filtro llamado Series Inductor Filterse puede construir conectando el inductor en serie, entre el rectificador y la carga. La siguiente figura muestra el circuito de un filtro inductor en serie.

La salida rectificada cuando pasa a través de este filtro, el inductor bloquea los componentes de CA que están presentes en la señal, para proporcionar una CC pura. Este es un filtro primario simple.

Filtro de condensador de derivación

Como un capacitor permite la entrada de CA y bloquea la CC, un filtro llamado Shunt Capacitor Filter se puede construir utilizando un condensador, conectado en derivación, como se muestra en la siguiente figura.

La salida rectificada cuando pasa a través de este filtro, los componentes de CA presentes en la señal están conectados a tierra a través del capacitor que permite componentes de CA. Los componentes de CC restantes presentes en la señal se recogen en la salida.

Los tipos de filtros mencionados anteriormente se construyen utilizando un inductor o un condensador. Ahora, intentemos usar ambos para hacer un mejor filtro. Estos son filtros combinacionales.

Filtro LC

Se puede construir un circuito de filtro usando inductor y capacitor para obtener una mejor salida donde se pueden usar las eficiencias tanto del inductor como del capacitor. La siguiente figura muestra el diagrama de circuito de un filtro LC.

La salida rectificada cuando se le da a este circuito, el inductor permite que los componentes de CC pasen a través de él, bloqueando los componentes de CA en la señal. Ahora, a partir de esa señal, pocos componentes de CA más, si los hay presentes, están conectados a tierra para que obtengamos una salida de CC pura.

Este filtro también se denomina como Choke Input Filtercuando la señal de entrada entra primero en el inductor. La salida de este filtro es mejor que la de los anteriores.

Π- Filtro (filtro Pi)

Este es otro tipo de circuito de filtro que se usa con mucha frecuencia. Tiene condensador en su entrada y, por lo tanto, también se llama comoCapacitor Input Filter. Aquí, dos condensadores y un inductor están conectados en forma de red en forma de π. Un capacitor en paralelo, luego un inductor en serie, seguido de otro capacitor en paralelo hace este circuito.

Si es necesario, también se pueden agregar varias secciones idénticas, según el requisito. La siguiente figura muestra un circuito para$\pi$ filtrar (Pi-filter).

Funcionamiento de un filtro Pi

En este circuito, tenemos un capacitor en paralelo, luego un inductor en serie, seguido de otro capacitor en paralelo.

  • Capacitor C1- Este condensador de filtro ofrece alta reactancia a CC y baja reactancia a la señal de CA. Después de conectar a tierra los componentes de CA presentes en la señal, la señal pasa al inductor para su posterior filtración.

  • Inductor L- Este inductor ofrece baja reactancia a los componentes de CC, mientras bloquea los componentes de CA si alguno logra pasar, a través del condensador C 1 .

  • Capacitor C2 - Ahora la señal se suaviza aún más usando este capacitor para que permita cualquier componente de CA presente en la señal, que el inductor no ha podido bloquear.

Por lo tanto, obtenemos la salida de cd pura deseada en la carga.

La siguiente y última etapa antes de la carga, en un sistema de suministro de energía, es la parte del regulador. Tratemos ahora de entender qué es un regulador y qué hace.

La parte de la electrónica que se ocupa del control y conversión de la energía eléctrica se puede denominar como Power Electronics. Un regulador es un dispositivo importante cuando se trata de electrónica de potencia, ya que controla la salida de potencia.

Necesidad de un regulador

Para que una fuente de alimentación produzca un voltaje de salida constante, independientemente de las variaciones del voltaje de entrada o las variaciones de la corriente de carga, existe la necesidad de un regulador de voltaje.

UN voltage regulatores un dispositivo que mantiene constante el voltaje de salida, en lugar de cualquier tipo de fluctuación en el voltaje de entrada que se aplica o cualquier variación en la corriente, extraída por la carga. La siguiente imagen da una idea de cómo es un regulador práctico.

Tipos de reguladores

Los reguladores se pueden clasificar en diferentes categorías, dependiendo de su funcionamiento y tipo de conexión.

Depending upon the type of regulation, los reguladores se dividen principalmente en dos tipos, a saber, reguladores de línea y de carga.

  • Line Regulator - El regulador que regula la tensión de salida para que sea constante, a pesar de las variaciones de la línea de entrada, se denomina como Line regulator.

  • Load Regulator - El regulador que regula la tensión de salida para que sea constante, a pesar de las variaciones de carga en la salida, se denomina como Load regulator.

Depending upon the type of connection, hay dos tipos de reguladores de voltaje. Son

  • Regulador de voltaje en serie
  • Regulador de voltaje de derivación

La disposición de los mismos en un circuito será como en las siguientes figuras.

Echemos un vistazo a otros tipos de reguladores importantes.

Regulador de voltaje Zener

Un regulador de voltaje Zener es uno que usa un diodo Zener para regular el voltaje de salida. Ya hemos discutido los detalles sobre el diodo Zener en el tutorial de ELECTRÓNICA BÁSICA.

Cuando el diodo Zener se opera en la avería o Zener region, el voltaje a través de él es sustancialmente constant para large change of currenta traves de. Esta característica hace que el diodo Zener sea ungood voltage regulator.

La siguiente figura muestra una imagen de un regulador Zener simple.

El voltaje de entrada aplicado $V_i$ cuando aumenta más allá del voltaje Zener $V_z$, entonces el diodo Zener opera en la región de ruptura y mantiene un voltaje constante a través de la carga. La resistencia limitadora en serie$R_s$ limita la corriente de entrada.

Funcionamiento del regulador de voltaje Zener

El diodo Zener mantiene constante el voltaje a través de él a pesar de las variaciones de carga y las fluctuaciones de voltaje de entrada. Por lo tanto, podemos considerar 4 casos para comprender el funcionamiento de un regulador de voltaje Zener.

Case 1 - Si la corriente de carga $I_L$ aumenta, entonces la corriente a través del diodo Zener $I_Z$ disminuye para mantener la corriente a través de la resistencia en serie $R_S$constante. El voltaje de salida Vo depende del voltaje de entrada Vi y el voltaje a través de la resistencia en serie$R_S$.

Esto se puede escribir como

$$V_o=V_{in}-IR_{s}$$

Dónde $I$es constante. Por lo tanto,$V_o$ también permanece constante.

Case 2 - Si la corriente de carga $I_L$ disminuye, entonces la corriente a través del diodo Zener $I_Z$ aumenta, ya que la corriente $I_S$a través de la resistencia de la serie RS permanece constante. Aunque la corriente$I_Z$ a través del diodo Zener aumenta mantiene un voltaje de salida constante $V_Z$, que mantiene constante la tensión de carga.

Case 3 - Si el voltaje de entrada $V_i$ aumenta, entonces la corriente $I_S$a través de la resistencia en serie RS aumenta. Esto aumenta la caída de voltaje a través de la resistencia, es decir$V_S$aumenta. Aunque la corriente a través del diodo Zener$I_Z$ aumenta con esto, el voltaje a través del diodo Zener $V_Z$ permanece constante, manteniendo constante la tensión de carga de salida.

Case 4 - Si el voltaje de entrada disminuye, la corriente a través de la resistencia en serie disminuye, lo que hace que la corriente a través del diodo Zener $I_Z$disminuye. Pero el diodo Zener mantiene constante el voltaje de salida debido a sus propiedades.

Limitaciones del regulador de voltaje Zener

Existen algunas limitaciones para un regulador de voltaje Zener. Ellos son -

  • Es menos eficiente para corrientes de carga pesada.
  • La impedancia Zener afecta ligeramente el voltaje de salida.

Por lo tanto, un regulador de voltaje Zener se considera efectivo para aplicaciones de bajo voltaje. Ahora, veamos los otros tipos de reguladores de voltaje, que se fabrican con transistores.

Regulador de voltaje serie transistor

Este regulador tiene un transistor en serie al regulador Zener y ambos en paralelo a la carga. El transistor funciona como una resistencia variable que regula el voltaje del emisor del colector para mantener constante el voltaje de salida. La siguiente figura muestra el regulador de voltaje en serie de transistores.

Con las condiciones de operación de entrada, la corriente a través de la base del transistor cambia. Esto afecta el voltaje a través de la unión emisora ​​base del transistor$V_{BE}$. La tensión de salida se mantiene mediante la tensión Zener$V_Z$que es constante. Como ambos se mantienen iguales, cualquier cambio en el suministro de entrada se indica mediante el cambio en el voltaje base del emisor$V_{BE}$.

Por lo tanto, el voltaje de salida Vo puede entenderse como

$$V_O=V_Z+V_{BE}$$

Funcionamiento del regulador de voltaje de la serie de transistores

Se debe considerar el funcionamiento de un regulador de voltaje en serie para variaciones de carga y entrada. Si se aumenta el voltaje de entrada, también aumenta el voltaje de salida. Pero esto, a su vez, hace que el voltaje a través de la unión de la base del colector$V_{BE}$ disminuir, ya que el voltaje Zener $V_Z$permanece constante. La conducción disminuye a medida que aumenta la resistencia a través de la región del colector emisor. Esto aumenta aún más el voltaje a través de la unión del emisor del colector VCE reduciendo así el voltaje de salida$V_O$. Esto será similar cuando el voltaje de entrada disminuya.

Cuando ocurren los cambios de carga, lo que significa que si la resistencia de la carga disminuye, aumenta la corriente de carga $I_L$, el voltaje de salida $V_O$ disminuye, aumentando el voltaje base del emisor $V_{BE}$.

Con el aumento de la tensión base del emisor $V_{BE}$la conducción aumenta reduciendo la resistencia del colector emisor. Esto, a su vez, aumenta la corriente de entrada que compensa la disminución de la resistencia de carga. Esto será similar cuando aumente la corriente de carga.

Limitaciones del regulador de voltaje en serie de transistores

Los reguladores de voltaje de la serie de transistores tienen las siguientes limitaciones:

  • Los voltajes $V_{BE}$ y $V_Z$ se ven afectados por el aumento de temperatura.
  • No es posible una buena regulación para corrientes elevadas.
  • La disipación de energía es alta.
  • La disipación de energía es alta.
  • Menos eficiente.

Para minimizar estas limitaciones, se utiliza un regulador de derivación de transistor.

Regulador de voltaje de derivación de transistor

Un circuito regulador en derivación de transistor se forma conectando una resistencia en serie con la entrada y un transistor cuya base y colector están conectados por un diodo Zener que regula, ambos en paralelo con la carga. La siguiente figura muestra el diagrama de circuito de un regulador de derivación de transistor.

Funcionamiento del regulador de voltaje de derivación de transistor

Si el voltaje de entrada aumenta, el $V_{BE}$ y $V_O$también se incrementa. Pero esto sucede inicialmente. En realidad cuando$V_{in}$ aumenta, la corriente $I_{in}$también aumenta. Esta corriente cuando fluye a través de RS, provoca una caída de voltaje$V_S$ a través de la resistencia en serie, que también se incrementa con $V_{in}$. Pero esto hace$V_o$disminuir. Ahora esta disminución en$V_o$compensa el incremento inicial manteniéndolo constante. Por lo tanto$V_o$se mantiene constante. Si, en cambio, el voltaje de salida disminuye, ocurre lo contrario.

Si la resistencia de carga disminuye, debería haber una disminución en el voltaje de salida $V_o$. La corriente a través de la carga aumenta. Esto hace que la corriente de base y la corriente de colector del transistor disminuyan. El voltaje a través de la resistencia en serie se vuelve bajo, ya que la corriente fluye fuertemente. La corriente de entrada será constante.

El voltaje de salida que aparece será la diferencia entre el voltaje aplicado $V_i$ y la caída de voltaje en serie $V_s$. Por tanto, la tensión de salida aumentará para compensar la disminución inicial y, por tanto, se mantendrá constante. Lo contrario sucede si aumenta la resistencia de carga.

Reguladores IC

Los reguladores de voltaje están disponibles hoy en día en forma de circuitos integrados (IC). Estos se denominan en resumen como reguladores de CI.

Junto con la funcionalidad de un regulador normal, un regulador IC tiene propiedades como compensación térmica, protección contra cortocircuitos y protección contra sobretensiones que están integradas en el dispositivo.

Tipos de reguladores de CI

Los reguladores de CI pueden ser de los siguientes tipos:

  • Reguladores de voltaje positivo fijo
  • Reguladores de voltaje negativo fijo
  • Reguladores de voltaje ajustables
  • Reguladores de voltaje de doble seguimiento

Analicemos ahora en detalle.

Regulador de voltaje positivo fijo

La salida de estos reguladores está fijada a un valor específico y los valores son positivos, lo que significa que el voltaje de salida proporcionado es positivo.

La serie más utilizada es la serie 7800 y los circuitos integrados serán como IC 7806, IC 7812 e IC 7815, etc., que proporcionan + 6v, + 12v y + 15v respectivamente como voltajes de salida. La siguiente figura muestra el IC 7810 conectado para proporcionar un voltaje de salida regulado positivo fijo de 10v.

En la figura anterior, el condensador de entrada $C_1$ se utiliza para evitar oscilaciones no deseadas y el condensador de salida $C_2$ actúa como un filtro de línea para mejorar la respuesta transitoria.

Regulador de voltaje negativo fijo

La salida de estos reguladores está fijada a un valor específico y los valores son negativos, lo que significa que el voltaje de salida proporcionado es voltaje negativo.

La serie más utilizada es la serie 7900 y los circuitos integrados serán como IC 7906, IC 7912 e IC 7915, etc., que proporcionan -6v, -12v y -15v respectivamente como voltajes de salida. La siguiente figura muestra el IC 7910 conectado para proporcionar un voltaje de salida regulado negativo fijo de 10v.

En la figura anterior, el condensador de entrada $C_1$ se utiliza para evitar oscilaciones no deseadas y el condensador de salida $C_2$ actúa como un filtro de línea para mejorar la respuesta transitoria.

Reguladores de voltaje ajustables

Un regulador de voltaje ajustable tiene tres terminales IN, OUT y ADJ. Los terminales de entrada y salida son comunes, mientras que el terminal ajustable está provisto de una resistencia variable que permite que la salida varíe entre un amplio rango.

La figura anterior muestra una fuente de alimentación no regulada que impulsa un regulador IC ajustable LM 317 que se usa comúnmente. El LM 317 es un regulador de voltaje ajustable positivo de tres terminales y puede suministrar 1.5A de corriente de carga en un rango de salida ajustable de 1.25v a 37v.

Reguladores de voltaje de seguimiento doble

Se utiliza un regulador de doble seguimiento cuando se necesitan voltajes de suministro dividido. Estos proporcionan voltajes de salida positivos y negativos iguales. Por ejemplo, el RC4195 IC proporciona salidas de CC de + 15v y -15v. Esto necesita dos voltajes de entrada no regulados, como la entrada positiva puede variar de + 18v a + 30v y la entrada negativa puede variar de -18v a -30v.

La imagen de arriba muestra un regulador IC RC4195 de doble seguimiento. Los reguladores ajustables de doble tachuela también están disponibles cuyas salidas varían entre dos límites nominales.

Los temas discutidos hasta ahora representan diferentes secciones de la unidad de fuente de alimentación. Todas estas secciones juntas hacenLinear Power Supply. Este es el método convencional para obtener CC de la fuente de CA de entrada.

Fuente de alimentación lineal

La fuente de alimentación lineal (LPS) es la fuente de alimentación regulada que disipa mucho calor en la resistencia en serie para regular el voltaje de salida que tiene una ondulación baja y un ruido bajo. Este LPS tiene muchas aplicaciones.

Una fuente de alimentación lineal requiere dispositivos semiconductores más grandes para regular el voltaje de salida y genera más calor, lo que resulta en una menor eficiencia energética. Las fuentes de alimentación lineales tienen tiempos de respuesta transitorios hasta 100 veces más rápidos que los demás, lo cual es muy importante en determinadas áreas especializadas.

Ventajas de LPS

  • La fuente de alimentación es continua.
  • El circuito es simple.
  • Estos son sistemas confiables.
  • Este sistema responde dinámicamente a los cambios de carga.
  • Las resistencias del circuito se cambian para regular el voltaje de salida.
  • Como los componentes operan en una región lineal, el ruido es bajo.
  • La ondulación es muy baja en el voltaje de salida.

Desventajas de LPS

  • Los transformadores utilizados son más pesados ​​y grandes.
  • La disipación de calor es mayor.
  • La eficiencia de la fuente de alimentación lineal es del 40 al 50%.
  • La energía se desperdicia en forma de calor en los circuitos LPS.
  • Se obtiene una tensión de salida única.

Ya hemos pasado por diferentes partes de una fuente de alimentación lineal. El diagrama de bloques de una fuente de alimentación lineal se muestra en la siguiente figura.

A pesar de las desventajas anteriores, las fuentes de alimentación lineales se utilizan ampliamente en amplificadores de bajo ruido, equipos de prueba y circuitos de control. Además, también se utilizan en la adquisición de datos y el procesamiento de señales.

Todos los sistemas de suministro de energía que necesitan una regulación simple y donde la eficiencia no es una preocupación, se utilizan los circuitos LPS. Como el ruido eléctrico es menor, el LPS se utiliza para alimentar circuitos analógicos sensibles. Pero para superar las desventajas del sistema de fuente de alimentación lineal, se utiliza la fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS).

Fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS)

Las desventajas de los LPS como la menor eficiencia, la necesidad de un gran valor de condensadores para reducir las ondulaciones y los transformadores pesados ​​y costosos, etc., se superan mediante la implementación de Switched Mode Power Supplies.

El funcionamiento de SMPS se entiende simplemente sabiendo que el transistor usado en LPS se usa para controlar la caída de voltaje mientras que el transistor en SMPS se usa como un controlled switch.

Trabajando

El funcionamiento de SMPS se puede entender en la siguiente figura.

Tratemos de comprender qué sucede en cada etapa del circuito SMPS.

Etapa de entrada

La señal de suministro de entrada de CA de 50 Hz se envía directamente a la combinación de circuito de filtro y rectificador sin utilizar ningún transformador. Esta salida tendrá muchas variaciones y el valor de capacitancia del capacitor debería ser mayor para manejar las fluctuaciones de entrada. Esta CC no regulada se envía a la sección de conmutación central de SMPS.

Sección de conmutación

En esta sección se emplea un dispositivo de conmutación rápida, como un transistor de potencia o un MOSFET, que se enciende y apaga según las variaciones y esta salida se da al primario del transformador presente en esta sección. Los transformadores que se utilizan aquí son mucho más pequeños y ligeros, a diferencia de los que se utilizan para el suministro de 60 Hz. Estos son mucho eficientes y, por lo tanto, la relación de conversión de energía es mayor.

Etapa de salida

La señal de salida de la sección de conmutación se rectifica y filtra nuevamente para obtener el voltaje de CC requerido. Este es un voltaje de salida regulado que luego se le da al circuito de control, que es un circuito de retroalimentación. La salida final se obtiene después de considerar la señal de retroalimentación.

Unidad de control

Esta unidad es el circuito de retroalimentación que tiene muchas secciones. Tengamos una comprensión clara de esto en la siguiente figura.

La figura anterior explica las partes internas de una unidad de control. El sensor de salida detecta la señal y la une a la unidad de control. La señal está aislada de la otra sección para que cualquier pico repentino no afecte a los circuitos. Se proporciona un voltaje de referencia como una entrada junto con la señal al amplificador de error que es un comparador que compara la señal con el nivel de señal requerido.

Controlando la frecuencia de corte se mantiene el nivel de voltaje final. Esto se controla comparando las entradas dadas al amplificador de error, cuya salida ayuda a decidir si aumentar o disminuir la frecuencia de corte. El oscilador PWM produce una frecuencia fija de onda PWM estándar.

Podemos tener una mejor idea del funcionamiento completo de SMPS si echamos un vistazo a la siguiente figura.

El SMPS se usa principalmente donde la conmutación de voltajes no es en absoluto un problema y donde la eficiencia del sistema realmente importa. Hay algunos puntos que deben tenerse en cuenta con respecto a SMPS. Son

  • El circuito SMPS se opera mediante conmutación y, por lo tanto, los voltajes varían continuamente.

  • El dispositivo de conmutación se opera en modo de saturación o de corte.

  • El voltaje de salida está controlado por el tiempo de conmutación del circuito de retroalimentación.

  • El tiempo de conmutación se ajusta ajustando el ciclo de trabajo.

  • La eficiencia de SMPS es alta porque, en lugar de disipar el exceso de energía en forma de calor, cambia continuamente su entrada para controlar la salida.

Desventajas

Hay algunas desventajas en SMPS, como

  • El ruido está presente debido a la conmutación de alta frecuencia.
  • El circuito es complejo.
  • Produce interferencia electromagnética.

Ventajas

Las ventajas de SMPS incluyen,

  • La eficiencia es tan alta como del 80 al 90%
  • Menos generación de calor; menos desperdicio de energía.
  • Retroalimentación armónica reducida en la red de suministro.
  • El dispositivo es compacto y de tamaño pequeño.
  • Se reduce el coste de fabricación.
  • Disposición para proporcionar el número requerido de voltajes.

Aplicaciones

Hay muchas aplicaciones de SMPS. Se utilizan en la placa base de computadoras, cargadores de teléfonos móviles, mediciones de HVDC, cargadores de baterías, distribución central de energía, vehículos de motor, electrónica de consumo, computadoras portátiles, sistemas de seguridad, estaciones espaciales, etc.

Tipos de SMPS

SMPS es el circuito de fuente de alimentación de modo conmutado que está diseñado para obtener el voltaje de salida de CC regulado de un voltaje de CC o CA no regulado. Hay cuatro tipos principales de SMPS, como

  • Convertidor DC a DC
  • Convertidor de CA a CC
  • Convertidor Fly back
  • Convertidor directo

La parte de conversión de CA a CC en la sección de entrada marca la diferencia entre el convertidor de CA a CC y el convertidor de CC a CC. El convertidor Fly back se utiliza para aplicaciones de baja potencia. También hay convertidor Buck y convertidor Boost en los tipos SMPS que disminuyen o aumentan el voltaje de salida según los requisitos. El otro tipo de SMPS incluye convertidor fly-back auto-oscilante, convertidor Buck-boost, Cuk, Sepic, etc.