Realizar el armado y simulación de una fuente de voltaje DC con nivel de salida fija.

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Facultad: Ingeniería. Escuela: Electrónica. Asignatura: Electrónica I.

Lugar de ejecución: Fundamentos Generales, aula 3.21 (Edificio 3, 2da planta).

UTILIZACIÓN DE SOFTWARE QUCS

Objetivos generales

 Realizar el armado y simulación de una fuente de voltaje DC con nivel de salida fija.

Objetivos específicos

 Realizar el armado y simulación de una fuente de voltaje DC, en un simulador de circuitos electrónicos.  Observar la forma de onda al medir algunos puntos del circuito desarrollado.

 Modificar el valor capacitivo y el valor de la carga para evidenciar su efecto en el voltaje de rizo y en el voltaje promedio de la señal de interés.

Materiales y equipo

 1 Computadora con software Qucs.

Introducción Teórica

Las fuentes de alimentación, son dispositivos que convierten la tensión alterna (Vac) de la red eléctrica comercial, en una o varias tensiones, prácticamente continuas, que alimentan los distintos circuitos de un aparato electrónico al que se conecte como: una computadora, televisor, impresor, router, etc. Las fuentes de alimentación DC, pueden clasificarse básicamente como fuentes de alimentación: lineal y conmutada.

Las fuentes lineales siguen el esquema: transformador, rectificador, filtro, regulación y salida. En primer lugar el transformador adapta los niveles de tensión y proporciona aislamiento galvánico. El circuito que convierte la corriente alterna en continua (pulsante) se llama rectificador, después suelen llevar un circuito que disminuye el rizado como un filtro de condensador. La regulación, o estabilización de la tensión a un valor establecido, se consigue con un componente denominado regulador de tensión. La salida puede ser simplemente un condensador.

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Electrónica I. Guía 3.

Adicional al diseño descrito en la figura 1, se toman otras consideraciones que están relacionadas a la durabilidad del equipo, seguridad eléctrica, protección del dispositivo ante un mal uso del mismo o de la conexión eléctrica de la red, la forma de encendido, su ergonomía de utilización, portabilidad, representación del valor proporcionado a su salida, etc. El resultado es un equipo que proporciona un voltaje directo, ya sea este de tipo fijo o variable; en algunos casos la fuente de alimentación se diseña para poder variar la corriente que podrá entregar a la carga conectada a su salida.

Figura 2. Fuente de alimentación.

La red eléctrica nacional proporciona una señal senoidal de 110VRMS a 60 Hz, por lo que el diseño de la fuente de

alimentación debe partir de estas condiciones de entrada, la otra información útil es saber el potencial DC y amperaje que deseamos tener a la salida para dimensionar el transformador y los dispositivos a utilizar. Suponga entonces que se desea una fuente DC con los siguientes requerimientos:

 Voltaje de entrada: 110 VAC / 60 Hz.

 Voltaje de salida: + 3.3 VDC / 0.5 A.

Figura 3. Señales involucradas en la obtención del voltaje de rizo. Sabemos que:

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𝑉

_𝑝

= 𝑉

_𝑅𝑀𝑆

(√2) = 110(√2) = 155.56

𝜔 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝐹𝑟𝑒𝑞 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 60 = 120𝜋

𝑉

1

= 𝑉

𝑝

∙ sin(𝜔𝑡) = 155.56 ∙ sin(120𝜋𝑡)

𝑉

₁

𝑉

₂

=

𝑁

₁

𝑁

₂

=

𝐼

₂

𝐼

₁

=

1 𝑁

110

12 =

1 𝑁

𝑁 =

12

110 = 0.1091

V₂= V₁∗ N = (155.56 ∙ sin(120πt))(0.1091) V₂= 16.97 ∙ sin(120πt) = V_p(in)= V_o1 T = 1 2 ∙ Freq= 1 2(60)= 1 120= 8.33ms 𝑉_𝑜2= 𝑉_𝑜1amp− 0.7 = 16.97 − 0.7 𝑉𝑀𝐴𝑋 = 𝑉𝑜2= 16.27 ∙ sin(120𝜋𝑡)

Calcule el capacitor necesario para obtener un voltaje de rizo de 0.12V.

𝑉

_𝑚𝑖𝑛

= 16.27 − 0.12 = 16.15𝑉

16.15 = 16.27 ∙ sin (2 ∙ 𝜋 ∙ (120) (

𝑇

2 − 𝑡))

sin

−1

₍

16.15

16.27 ) = 753.9822 (

(

₁₂₀₎

1

2 − 𝑡)

1.4493

753.9822

=

(

₁₂₀₎

1

2 − 𝑡

𝑡 =

1

240 −

1.4493

753.9822

= 2.2445𝑚𝑠

Por lo que el período de descarga del condensador es:

𝑡 =

T

2+

𝑡 =

8.33ms

2 +

2.2445𝑚𝑠 = 6.4112𝑚𝑠

Asumiendo un resistor de carga de 1kΩ y sustituyendo t en:

𝑉 = 𝑉

_{𝑝(𝑖𝑛)}

∙ 𝑒

−(𝑡 𝑅𝐶⁄ )

16.15 = 16.27 ∙ 𝑒

−(6.4112𝑚𝑠 (1𝑘Ω)𝐶⁄ )

𝑙𝑛 (

16.15

16.27 ) = − (6.4112𝑚𝑠 (1𝑘Ω)𝐶

⁄

)

𝐶 = −

6.4112𝑚𝑠

1000 ∗ 𝑙𝑛 (

16.15 _16.27)

= 866.07𝜇𝐹

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Figura 4. Logo del simulador electrónico Qucs.

Qucs: es un simulador de circuitos integrados que es capaz de configurar un circuito con una interfaz gráfica de usuario (GUI) y simular el comportamiento a gran señal, de pequeña señal y el ruido del circuito. La GUI Qucs está muy avanzada y permite la creación de esquemas y la presentación de resultados de la simulación en diversos tipos de diagramas. DC, AC, S-parámetro, el ruido y el análisis de transitorios es posible, ecuaciones matemáticas y el uso de una jerarquía sub-circuito (con sub-circuitos parametrizados) están disponibles. Qucs también puede importar modelos SPICE existentes para su uso en sus simulaciones.

Procedimiento

PARTE I. GENERACIÓN, TRANSFORMACIÓN Y SIMULACIÓN TRANSITORIA.

1. Encienda la computadora, coloque el usuario y contraseña del salón donde ha sido asignado su grupo de laboratorio:

Código del aula Nombre del aula Usuario Contraseña 3.21 Fundamentos generales Fundamentos 123456

3.10 Automatización Electrónica usuario

Tabla 1. Nombres de usuarios y contraseñas de las computadoras. 2. Presione la combinación de teclas: Ctrl + Alt + t.

3. En la ventana del terminal escriba la palabra qucs y presione Enter. Se desplegará la ventana del simulador, ver figura 5.

Figura 5. Entorno del simulador Qucs.

4

5

6

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4. Dé clic izquierdo en Nuevo y asigne un nombre al proyecto (Ejemplo: Fuente_fija).

5. Seleccione la pestaña vertical Componentes, agregue los elementos, arrastrándolos del panel izquierdo al derecho:

Categoría (Lista desplegable horizontal) Elementos Valor nominal componentes sueltos

Transformador T=N Tierra

Resistencia US R=1000 Ω

fuentes Fuente de tensión AC U=Vamp / F=freq

simulaciones Simulación transitoria Stop=tmax / Points=100

Tabla 2. Librerías, elementos y valores nominales para el circuito a simular.

6. Con los iconos: Seleccionar, Rotar, Cable e Insertar Ecuación, modifique el circuito hasta que se vea tal como la figura 6.

7. Dando doble clic izquierdo sobre cada componente aparece un cuadro de dialogo (figura 7) donde puede modificar sus atributos seguido de dar clic en el botón Aplicar; para cerrar el cuadro de dialogo presione el botón Aceptar.

8. En el caso del elemento ecuación se deben ir añadiendo las expresiones mostradas en la figura 6 por medio del cuadro de dialogo de la figura 7 al dar doble clic izquierdo sobre la palabra Ecuación.

Figura 6. Primer circuito en prueba dentro del simulador Qucs.

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9. Dé clic izquierdo en el icono Etiqueta del cable. De clic sobre el nodo de la fuente V1, se desplegará la ventana de la figura 8 en la que debe asignar el nombre Vi.

10. Repita el procedimiento anterior para el nodo de Vo.

Figura 8. Cuadro de dialogo para asignación de nombres de nodo. 11. Guarde el archivo del circuito esquemático (Ejemplo: Circuito1).

12. Dé clic izquierdo en el icono Simular. Nota: Observe que:

 En la pestaña vertical Contenido, la lista horizontal desplegable cambia a diagramas.

 Se agrega una nueva pestaña al panel derecho con el mismo nombre del esquemático pero con extensión

.dpl.

13. Seleccione la pestaña del circuito y arrastre un diagrama Cartesiano debajo del circuito, lo cual le desplegará la ventana de la figura 9.

Nota: O puede arrastrar el diagrama Cartesiano a la nueva pestaña (Circuito1.dpl) según sea su elección. 14. Dé doble clic izquierdo sobre la línea Vi.Vt, y aparecerá dicho nombre en el recuadro derecho, selecciónelo y

dé clic en el botón Color asigne un color Azul y luego dé clic izquierdo en el botón Aplicar.

15. Repita el procedimiento anterior para, Vo.Vt con un color Rojo y dé clic izquierdo en el botón Aceptar.

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16. Redimensione el diagrama Cartesiano para que abarque toda la zona inferior del circuito (la mitad de la pantalla). De ser necesario seleccione la herramienta Seleccionar.

Figura 10. Gráfico esperado en el diagrama Cartesiano.

PARTE II. RECTIFICACIÓN DE ONDA COMPLETA.

17. Modifique el circuito cambiando el transformador y adicionando un par de diodos, el circuito debería verse como en la figura 11.

Categoría (Lista desplegable horizontal) Elementos Valor nominal componentes sueltos Transformador simétrico T1=N / T2=N

componentes no lineales diodo

Figura 11. Segundo circuito en prueba dentro del simulador Qucs.

18. Muestre el gráfico de respuesta obtenido a su instructor, el cual debería ser una señal senoidal de un rectificador de onda completa (Vo2) y la señal senoidal del secundario del transformador (Vo1).

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Electrónica I. Guía 3. PARTE III. VOLTAJE DE RIZO.

19. Modifique el circuito anterior agregando un capacitor como filtro de la señal obtenida en la simulación anterior, el circuito debería verse como en la figura 12.

Categoría (Lista desplegable horizontal) Elementos Valor nominal componentes sueltos Condensador C = 866.07F

diagramas Tabular

Figura 12. Tercer circuito en prueba dentro del simulador Qucs.

20. Muestre el gráfico de respuesta obtenido a su instructor, el cual debería ser un voltaje DC aproximadamente de 16.1 V (Vo2) y la señal senoidal del secundario del transformador (Vo1).

21. Agregue el diagrama tabular y seleccione el valor Vo2.

NOTA: Observe que aparecen los valores de Vo2 en una tabla donde inicialmente los valores crecen de cero

al valor máximo de 16.1v y decrecen hasta 16v, para luego mantenerse oscilando entre estos dos valores.

22. Modifique el valor de los componentes de acuerdo a la siguiente tabla, realice la simulación para cada caso e identifique el valor del voltaje de rizo:

Valor nominal de C1 Valor nominal de R1 Voltaje de rizo

5 F 1000 Ω

5000 F 1000 Ω

2200 F 100 Ω

2200 F 10 Ω

Tabla 5. Afectación del voltaje de rizo.

23. ¿Qué efecto tiene el variar el valor de C1 en el voltaje de rizo?______________________________________ _________________________________________________________________________________

24. ¿Qué efecto tiene el variar el valor de R1 en el voltaje de rizo?______________________________________ _________________________________________________________________________________

PARTE IV. CÓDIGO DE COLORES PARA RESISTENCIAS.

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26. Escriba 10 en el campo Resistance Values y seleccione el valor kohms de la lista desplegable, luego dé clic izquierdo en el botón To Colors.

27. Llene los colores obtenidos en la tabla 6 y repita el procedimiento para 2.2 kΩ.

Figura 13. Herramienta de código de colores para resistencias.

28. Seleccione los colores de la fila 3 de la tabla 6 en la sección Colour Codes de la figura 13, luego dé clic izquierdo en el botón To Resistance1_.

29. Anote el valor obtenido en la tabla 6 para las filas 3 y 4.

Resistencia Color Banda 1 Color Banda 2 Color Banda 3 Color Banda 4 Color Banda 5 Valor Teórico 1 10 kΩ 2 2.2 kΩ

3 orange orange brown none silver

4 brown black red none gold

Tabla 6. Afectación del voltaje de rizo. 30. Cierre las aplicaciones abiertas.

31. Apague la computadora y deje en orden su puesto de trabajo.

Análisis de Resultados

1. Agregue de las pestañas verticales, dentro de la librería Regulators, el elemento LM140-5V y una resistencia de carga a la simulación realizada en la figura 12.

2. Ejecutar la simulación para (deje constancia de los cálculos que fundamenten su simulación):  Un rectificador de media onda.

 Un rectificador de onda completa tipo puente.

 Rectificador de media onda con voltaje de rizo de 0.5V.

 Rectificador de onda completa tipo puente con voltaje de rizo de 0.05V.

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Investigación Complementaria

1. Obtenga la curva característica del diodo (simulación en Qucs).

2. Que variación tendría el voltaje de salida en la simulación del punto 1 del análisis de resultados al exigir una corriente de 1A con un capacitor de 2200 F.

3. Qué sucede en los equipos de audio cuando el voltaje de rizo de la fuente de alimentación no es eliminado. 4. Realice la simulación en Proteus del circuito esquemático de la fuente de voltaje DC propuesta a

continuación, considere cuáles son los efectos producidos cuando:

 Se retira el diodo zener. Si aumentará el potencial de Vo a que se debe este efecto.  Aumentar el ciclo de trabajo al 70% quitando del circuito al diodo zener.

 Como afectaría el Vo al utilizar PWM al extremo izquierdo de R1.

Figura 14. Principio de funcionamiento de las fuentes conmutadas.

Bibliografía

Libros:

 Hayt, W. – Kemmerly, J. “Análisis de circuitos en ingeniería”, séptima edición, MCGRAW HILL 2007.  DEGEM SYSTEMS “Curso EB-111 Fundamentos de los semiconductores I”, Segunda edición. I.T.S Inter

Training Systems Ltd 1993.

 Boylestad, R - Nashelsky, L, “Electrónica: Teoría de Circuitos y dispositivos electrónicos”, sexta edición. PRENTICE HALL 1999. Enlaces:  ftp://fel.kpi.ua/pub/books/EE/addon/Qucs/manual/workbook.pdf  http://qucs.sourceforge.net/tech/technical.html  http://www.ecured.cu/Fuente_de_corriente_directa  https://www.youtube.com/watch?v=1ssDKTAsBeE  https://www.youtube.com/watch?v=EMt33Sx4B54  http://sourceforge.net/p/qucs/discussion/311050/thread/4204815a/  https://github.com/Qucs/qucs/issues/39