Práctica de laboratorio con diodo de potencia

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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

RECTIFICADOR

DE

MEDIA ONDA

Autor.

Miguel Rafael Machado Bastardo

Charallave, junio de 2023

Introducción

        En el ámbito de la electrónica potencia, la medición precisa del desfase entre señales eléctricas es fundamental para comprender y analizar diversos sistemas y circuitos. En este informe de laboratorio, se explorará la técnica de medida de desfase utilizando el modo X-Y de un osciloscopio. En particular, se aplicará esta técnica para determinar el desfase entre dos señales de frecuencia constante de 60 Hz.

        Además, se abordará el tema de los rectificadores de media onda con diodo de potencia y se introducirán conceptos relacionados con las señales eléctricas, como el valor medio, el valor eficaz, el valor pico y el valor pico a pico. Estos parámetros son fundamentales para comprender las propiedades de una señal y serán utilizados en el análisis de las señales rectificadas de media onda.

        A lo largo de este informe, se presentarán los pasos necesarios para realizar la técnica de medida de desfase utilizando el modo X-Y de un osciloscopio y se explicarán los conceptos de valor medio, valor eficaz, valor pico y valor pico a pico, proporcionando una base sólida para el análisis de las señales rectificadas.

Objetivos de la práctica

        El objetivo principal de este informe es brindar una comprensión teórica y práctica de las técnicas de medida de desfase utilizando el modo X-Y del osciloscopio, así como los conceptos relacionados con los rectificadores de media onda y los parámetros de una señal, permitiendo una aplicación efectiva de estas técnicas en el análisis de circuitos eléctricos.

• Estudiar, comprender y visualizar nociones teóricas sobre:

• Funcionamiento del rectificador de media onda.
• Medición del valor pico y valor pico a pico de una señal.
• Medición del valor eficaz (RMS) y valor promedio de una señal.

• Construir un circuito rectificador de media onda utilizando un diodo de potencia y una resistencia, para sí poder experimentar los diferentes comportamientos del circuito mediante un osciloscopio.  

Marco Teórico

Diodo de potencia: es un dispositivo unidireccional que permite que la corriente fluya en una sola dirección, del ánodo al cátodo. La corriente no puede fluir en la dirección opuesta a la polarización. Estos diodos se controlan invirtiendo el voltaje entre el ánodo y el cátodo.

Los diodos de potencia tienen un área de contacto más grande entre el ánodo y el cátodo, lo que permite una mejor distribución de la corriente y una menor resistencia. Además, la región de deplexión, la zona sin carga en la unión PN, se hace más gruesa para soportar tensiones inversas más altas.

Figura 1

Curva característica del diodo de potencia

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        La curva característica típica de un diodo de potencia consta de dos regiones principales: la región directa y la región inversa como se puede visualiza en la figura 1.

• Región directa: en la banda directa, un diodo de potencia comienza a conducir corriente cuando se aplica un voltaje directo positivo a través de sus terminales. Esta curva muestra la relación exponencial entre la corriente directa y el voltaje directo (ver figura 1). A medida que aumenta el voltaje directo, la corriente comienza a fluir a través del diodo. Sin embargo, hay un voltaje de umbral, llamado voltaje directo (), que debe superarse antes de que pueda fluir una corriente significativa. [pic 5]
• Región inversa: Cuando se aplica un voltaje inverso a un diodo en la región inversa, la corriente inversa () comienza a fluir. Esta propiedad indica una corriente inversa muy baja en un rango de voltajes inversos, llamado voltaje de ruptura inversa (). Esto se ve a menudo en las hojas de datos de diodos. Si el voltaje inverso excede el voltaje soportado, la corriente inversa aumenta rápidamente y puede dañar el diodo.[pic 6][pic 7]

Es importante señalar que la forma exacta de la curva característica puede variar según el tipo y modelo de diodo de potencia utilizado.

Hablamos de las características estáticas de un diodo de potencia que describen su comportamiento cuando se mantiene en un estado de funcionamiento estable sin sufrir cambios en la señal que se le aplica, en la figura 2 se puede observar los diferentes parámetros a la hora de trabajar con un diodo de potencia.

Figura 2

Parámetros de bloqueo.

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Estas características son importantes para entender cómo el diodo se comporta en condiciones de polarización y bloqueo y las más importantes son:

Parámetros en bloqueo de un diodo de potencia:

• Voltaje de trabajo máximo inverso (): este es el voltaje inverso máximo que un diodo puede soportar continuamente sin correr el riesgo de una avería por avalancha. Es importante operar el diodo dentro de este rango para evitar daños o fallas. [pic 9]
• Voltaje inverso de pico repetitivo (): este es el voltaje inverso máximo que un diodo puede soportar picos de corta duración (típicamente 1 ms) que se repiten continuamente cada 10 ms. Este parámetro es relevante para aplicaciones con picos de voltaje repetitivos.[pic 10]
• Voltaje inverso máximo no repetitivo (): este es el voltaje inverso máximo que un diodo puede soportar una vez en un período de tiempo.[pic 11]
• Tensión de ruptura (): es la tensión máxima que un diodo puede soportar en polarización inversa antes de entrar en un estado de ruptura y comenzar a conducir una corriente significativa en sentido inverso.[pic 12]
• Tensión inversa continua (): es la máxima tensión inversa que un diodo de potencia puede soportar de manera continua sin entrar en ruptura o sufrir daños permanentes. Este parámetro es importante para garantizar la fiabilidad del diodo durante operaciones a largo plazo en condiciones de bloqueo.[pic 13]

Parámetros en conducción de un diodo de potencia:

• Intensidad media nominal Es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusoidales de 180º que el diodo puede soportar sin exceder su límite de temperatura. Esta característica es importante para aplicaciones en las que el diodo está sometido a una carga de corriente variable, como en fuentes de alimentación conmutadas.[pic 14]
• Intensidad de pico repetitivo : Es la corriente máxima que el diodo puede soportar repetidamente en ciclos de 20 ms, con una duración de pico de 1 ms, a una temperatura específica (generalmente 25 °C). Esta característica es relevante en aplicaciones que requieren ciclos de trabajo repetitivos, como en rectificadores de corriente alterna.[pic 15]
• Intensidad directa de pico no repetitiva (): Es el valor máximo de pico de corriente que se puede aplicar al diodo una vez cada 10 minutos, con una duración de pulso de 10 ms. Esta característica es importante para tener en cuenta en aplicaciones de transitorios de corriente breves pero intensos, como en sistemas de conmutación de alta potencia.[pic 16]
• Intensidad directa : Es la corriente que circula a través del diodo cuando se encuentra en el estado de conducción. Esta corriente está determinada por la carga conectada al diodo y la tensión directa aplicada. Es importante no exceder la corriente máxima especificada para evitar daños o degradación del diodo.[pic 17]

Las características dinámicas de un diodo de potencia describen su comportamiento en respuesta a cambios en la señal que se le aplica. Estas características son importantes para comprender cómo el diodo responde a variaciones en la tensión y la corriente en condiciones dinámicas.

En las características dinámicas de un diodo, uno de los parámetros importantes es el tiempo de recuperación inverso. Cuando un diodo pasa de un estado de conducción a bloqueo, no ocurre instantáneamente. Durante este proceso, hay un período de tiempo en el que los portadores de carga en la unión P-N se reajustan, lo que resulta en un tiempo de respuesta para que el diodo vuelva a su estado de bloqueo, en figura 3 se puede observar gráficamente la recuperación en inversa de un diodo de potencia.

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