JORDIANWEB...electrònica al batxillerat...Electrònica Analògica. El diode...electronics non compulsory secondary education...

Electrònica Analògica.

Unitat 1.2. El diode i la rectificació del corrent altern.

1.2. El díode i la rectificació del corrent altern (c.a.).

Els terminals es denominaran Ànode el connectat a la zona P i Càtode el connectat a la zona N.

Direm díode a un encapsat amb dos terminals convenientment identificats i connectats a una unió P-N.

Díode semiconductor. Representació i símbol.

En la següent figura podem veure el funcionament del díode en els dos tipus de polarització.

Característica tensió - corrent d’un díode.

Quan el díode esta en conducció apareix una caiguda de tensió als borns d’aquest que denominarem VF Caiguda de Tensió Directa. Aquesta serà de 0,3 V pels díodes de germani i de 0,7 V pels de silici.

V_RM serà la tensió inversa de pic per una freqüència de treball.

La intensitat mitja del corrent elèctric a traves d’un díode, es dirà intensitat rectificada. I_O.

I _F(AV). Serà el corrent mig directe.

I _F(RMS). Serà el corrent eficaç directe.

I _FSM. Serà el corrent directe de pic no repetitiu.

Denominarem tensió inversa màxima V_R, a la tensió que pot suportar un díode en polarització inversa sense perforar-se, es a dir, sense conduir de manera inversa.

1.2.0. Retalladors.

Els circuits retalladors o limitadors són els que fitxen la tensió de sortida a un cert valor predeterminat.

1.2.0.1. Retalladors d’un nivell amb díode sèrie no polaritzat.

Retallador d’un nivell amb díode sèrie no polaritzat.

Quan Ei>0 el díode condueix i Eo = Ei

Quan Ei<0 el díode no condueix i Eo = 0

Corba de transferència.

1.2.0.2. Retalladors d’un nivell amb díode paral·lel no polaritzat.

Retalladors d’un nivell amb díode paral·lel no polaritzat.

Quan Ei>0 el díode condueix i Eo = 0

Quan Ei<0 el díode no condueix i Eo = Ei

Corba de transferència.

1.2.0.3. Retalladors d’un nivell amb díode paral·lel polaritzat.

Retallador d’un nivell amb díode paral·lel polaritzat.

Quan Ei>VE el díode condueix i Eo = VE

Quan Ei<VE el díode no condueix i Eo = Ei

Corba de transferència.

1.2.0.4. Retalladors de dos nivells.

Retalladors de dos nivells.

Suposant que VE es més gran que VE1

Si Ei<VE1 D1 condueix Eo=VE1

D2 no condueix

Si EE1<Ei<VE2 D1 no condueix Eo=Ei

D2 no condueix

Si Ei>VE2 D1 no condueix Eo=VE2

D2 condueix

Corba de transferència.

Si en el circuit de la figura introduïm un senyal sinusoïdal de 24 V de pic, quina sortida tindrem si considerem els díodes ideals.

Exemple 1.

En el semiperiode positiu D1 ON mentre la tensió d’entrada sigui superior a 10V. D2 OFF.

En el semiperiode negatiu D2 ON mentre la tensió d’entrada sigui més negativa que –10V. D1 OFF.

Aquest tipus de circuits son molt utilitzats en les fonts d’alimentació dels aparells electrònics. Per entendre’ls cal saber el següent:

Cal entendre el corrent altern com aquell que canvia de valor i sentit en funció del temps. El corrent altern que nosaltres podem trobar a la xarxa de distribució elèctrica, és el que generen els alternadors de les centrals elèctriques comercials.

Una de les aplicacions més típiques i esteses dels retalladors son els Rectificadors d’ones.

on:

e _màx = N·w·S·B

on:

N = nombre d’espires de l’alternador.

w = velocitat angular.

S = superfície de l’espira o bobina.

B= inducció del camp magnètic en tesles (T).

Aquest corrent és de tipus sinusoïdal, ja que el valor instantani de la força electromotriu ( e ) generada en aquestes màquines és igual a:

w = 2·p·f (en rad/s)

Com que la freqüència és el nombre de cicles per unitat de temps i es mesura en herzts (Hz).

f = 1/T

podem dir que:

w = 2·p/T (en rad/s)

Entendrem com a període el que tarda una espira del rotor de l’alternador en donar una volta complerta

La velocitat angular a la que gira el motor és igual:

La forma d’ona és per tant la que veiem en la següent figura:

D’aquest senyal sinusoïdal podrem deduir els següents valors:

Valor màxim: És el valor de tensió o intensitat màxim ( V_màx, I_màx ) que pot tenir una ona sinusoïdal ( el valor d’un pic )

Valor instantani: És el valor de tensió o intensitat que pot tenir l’ona en un instant de temps t..

v= V_màx·sin w t o i= I_màx·sin w t

Valor mitjà: També denominat valor mitjà aritmètic dels valors instantanis, ve a ésser la superfície que forma el triangle d’alçada igual al valor màxim i base igual a un semiperíode (meitat de l’alternança). (Cal observar que aquest valor és teòric, ja que el valor mitjà d’una senyal sinusoïdal és zero, ja que els semiperíodes es contraresten).

V_mitjà = 2/p ·V_màx= 0,636 V_màx I_mitjà = 2/p ·I_màx= 0,636 I_màx

Valor eficaç: El valor eficaç d’un corrent altern ( V_ef, I_ef ) és aquell que produirà el mateix efecte que el que produiria un corrent continu quan passa per una resistència. Aquest és el valor que mesuren els aparells que connectarem en corrent alterna.

Factor de forma F_F: És la relació entre el valor eficaç total d’una magnitud i el seu valor mitjà.

Factor d’arrissat de qualsevol magnitud ondulada és a la relació entre el valor eficaç de l’ondulació i el seu valor mitjà.

així doncs podrem dir que:

Cal recordar que qualsevol mesura efectuada per un aparell en corrent continu indica el valor mig de la magnitud i que en corrent altern indica el valor eficaç.

1.2.1. Rectificadors.

Aquesta forma d’ona ens arriba als domicilis, comerços, empreses, etc. La majoria d’aparells elèctrics es connecten a la xarxa per alimentar-se d’aquest corrent, però també la majoria d’ells, necessita un corrent continu per alimentar algun dels seus circuits interiors. És per això, que multitud d’aparells elèctrics disposen d’una font d’alimentació que transforma i rectifica aquest corrent altern en el corrent continu que precisa.

Les forces electromotrius que generen els alternadors tenen una forma d’ona alterna sinusoïdal.

1.2.1.1. Rectificació de mitja ona.

En aquest tipus de circuit, a la sortida només tindrem el semiperíode positiu del senyal sinusoïdal de l’entrada. Es rectifica només un semiperíode.

Rectificador de mitja ona.

Senyal d’entrada i a la carrega

Al secundari del transformador tindrem

a la sortida tindrem:

Paràmetres característics del rectificador.

1.2.1.2. Rectificació de doble ona.

En aquest tipus de circuit a la sortida tindrem els dos semiperíodes de l’entrada. Es rectifiquen els dos semiperíodes.

Rectificador de doble ona.

L'anterior circuit només es farà servir quan el transformador que disposem tingui toma mitja al secundari.

Senyal d’entrada i a la carrega

Al secundari del transformador tindrem

a la sortida tindrem:

Paràmetres característics del rectificador.

Rectificador amb pont de díodes. En aquest tipus de circuit a la sortida tindrem els dos semiperíodes de l’entrada i el farem servir quan el transformador que disposem no tingui toma mitja al secundari.

Rectificador de doble ona.

Senyal d’entrada i a la carrega

Al secundari del transformador tindrem

a la sortida tindrem:

Paràmetres característics del rectificador.

En el circuit de la figura determineu: El corrent mig en el díode, El corrent eficaç, El factor de riçat i la tensió inversa màxima que suporta el díode.

Exemple 2.

Com sabem les mesures en corrent altern són eficaces això vol dir que:

El corrent màxim vindrà determinat per l’expressió:

Com sabem pels paràmetres característics el corrent mig al díode és:

El corrent eficaç d’una rectificació d’ona mitja és:

Per saber el factor de riçat necessitem el factor de forma és:

Com el factor de riçat és:

La tensió inversa màxima que suporta el díode és

Si volem separar les components alternes (variacions del senyal) de les de corrent continu (i obtenir un senyal quasi bé constant) caldrà filtrar senyal obtingut en les rectificacions.

Això l’aconseguirem mitjançant els circuits denominats filtres:

1.2.1.3. Filtre amb condensador.

Es col·locarà un condensador entre el senyal rectificat i la carrega.

Filtre condensador.

Senyals d’entrada i acció del filtre a la carrega.

Tensió d’arrissat:

Rectificació mitjà ona

Rectificació ona complerta.

on:

I_RL és el corrent que circula per la carrega.

f és la freqüència de la xarxa.

C é la capacitat del condensador.

Paràmetres característics del filtratge

El condensador es carrega a la tensió màxima que proporciona la rectificació, quan el senyal rectificat disminueix el condensador es comença a descarregar a traves de la resistència de carrega, fins l’instant en que els valor de la tensió rectificada i la tensió del condensador s’igualen. A partir d’aquest moment el condensador comença a carregar-se de nou, i així successivament. La tensió de sortida que obtindrem a la carrega és diu d’arrissat i el seu objectiu és obtenir un senyal ondulat el més pla possible.

1.2.1.4. Filtre L i en Pi.

Filtre condensador L i Pi.

Senyals d’entrada i acció del filtre a la carrega.

Tensió d’arrissat:

Rectificació mitjà ona

Rectificació ona complerta.

on:

I_RL és el corrent que circula per la carrega.

f és la freqüència de la xarxa.

C é la capacitat del condensador.

Paràmetres característics del filtratge

Al circuit de l’exemple anterior muntem un filtre per condensador de valor 1000 mF Calculeu:

Exemple 3.

El valor eficaç de la senyal d’arrissat:

El valor mig de la tensió a la carrega:

(com observació cal dir que el valor mig de la tensió a l’exercici anterior era el que denota un augment considerable)

El factor d’arrissat serà Com pot observar-se gairebé despreciable.

1.2.1.5. Estabilització de tensió amb un díode zener.

Un dels circuits més característics per estabilitzar la tensió rectificada és el que empra un díode zener com element estabilitzador.

El díode zener es comporta com un díode normal quan esta polaritzat directament, però la seva gran utilitat és la de conduir en sentit invers quan als seus borns apliquen una tensió determinada, que es diu tensió de zener Vz.

Tot circuit electrònic precisa que la tensió que l’alimenta sigui el més estable possible, independentment del que passi a la carrega o a la xarxa de distribució elèctrica.

Corba característica i símbol del zener.

En la següent figura podem observar la seva corba característica així com la simbologia.

Els paràmetres que haurem de tenir en compte seran:

Vz = Tensió de zener. ( Tensió de treball del díode zener)

Iz = Intensitat del corrent continu del zener

Izmàx = Intensitat del corrent màxim a traves del zener

Izmín = Intensitat del corrent mínim a traves del zener

Pzmàx = Potència màxima que dissiparà el zener., on: Pzmàx = Vz Izmàx

Circuit estabilitzador de tensió amb zener.

El circuit típic d’estabilització de tensió mitjançant un díode zener serà:

Si a l’anterior circuit apliquem Kirchoff tenim:

Que passarà si augmenta la tensió a l’entrada? Doncs que el zener augmentarà el pas de corrent a traves seu i d’aquesta manera mantindrà la tensió constant als seus borns.

Si tenim en compte això podem afirmar que:

I si la tensió d’entrada disminueix? Doncs al inrevés. El corrent de zener disminueix.

Doncs que el zener compensarà el corrent de carrega permetent més o menys pas a traves seu.

Però imagineu que el que varia no és la tensió d’entrada, si no que ho fa la carrega. Que passarà?

Tenim un circuit com el de la figura, en el qual, el senyal d’entrada es de 60V i volem una tensió constant a la carrega de 40 V. Calculeu la resistència Rs per què el díode zener de 40 V i 20W no es sobrecarregui en cap cas

Exemple 4.

Sabem que quan el díode dissipa la màxima potència, per ell passa el màxim corrent de zener, per la qual cosa aquest serà:

A més a més saben que: