Facultad de Ciencias Básicas, Ingeniería y Arquitectura PRACTICA NÚMERO 2.
Convertidores AC-DC. Gil, Brayan1, Luna, Francisco2 y Martínez, María3.
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[email protected] Pregrado de Ingeniería de Sistemas,Corporación Universitaria del Caribe, Sincelejo, Colombia
Resumen—En la practica de laboratorio denominada " Convertidores AC-DC " se observó el comportamiento de forma de onda, en la salida de un conversor rectificado, consiguien distintas señales del voltajes; tambien se analizó la relacion directa entre el angulo de disparo con la salida DC del conversor. Palabras Clave: AC, DC, Conversor. I. INTRODUCCIÓN
E
S conocido generalmente en el campo de la electronica, que la conversion de potencia es el proceso de convertir una forma de energia en otra, y que existen unos tipos mas habituales de conversion los cuales son: DC a DC, AC a DC (en fuentes de alimentacion), Rectificadores, Fuentes de alimentacion conmutadas, DC a AC (inversores), AC a AC, transformadores, convertidores de tension a corriente y veceversa; gracias es estos conceptos se implemento la aplicación de apartes teoricos vistos con anterioridad y la veracidad o verificacion de los mismos mediante la practica [1].
construcción del diodo (VD> 0,7 V para el silicio o 0,3 V para el germanio). Para cada configuración, la técnica consiste en reemplazar los diodos por elementos resistivos con una caída de voltaje siempre y cuando la dirección de la corriente sea en el sentido que polarice de forma directa al diodo y este esté en estado de conducción. Para este caso, reemplazamos el diodo por una fuente de voltaje. En caso contrario, un diodo polarizado inversamente, se representará como un circuito abierto.[2]. B.Rectificador de onda completa Un rectificador de onda completa es un circuito empleado para convertir una señal de corriente alterna de entrada (Vi) en corriente continua de salida (Vo) pulsante. A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte en positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en negativa, según se necesite una señal positiva o negativa de corriente continua [3].
MARCO TEORICO. A. Configuraciones de diodos en serie con entradas dc. En el desarrollo de circuitos fácilmente encontraremos una variedad de configuraciones de diodos. Debemos tener muy claro que un diodo está en estado de conducción ó encendido si las corrientes aplicadas por las fuentes son superiores a la corriente umbral y permiten una caída de voltaje de acuerdo al tipo de material de
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Imagen N°1. Representacion de un rectificador de onda completa.
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Rectificadores de media onda y onda completa.
Para dicha práctica se requirió las herramientas o materiales que se ven descritos en la Tabla 1
B. Rectificador de media onda El rectificador de media onda es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna de lleno conducen cuando se polarizan inversamente. Además su voltaje es positivo[4].
Imagen N°2. Representacion de un rectificador de media onda.
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COMPONENTES 2 Resistencia de1 KΩ a 1W 4 Diodos rectificadores de estado sólido 1N4007. Cables macho-macho HERRAMIENTAS 1 Pinza de punta plana 1 Pinza de corte diagonal INSTRUMENTOS 1 Multímetro Osciloscopio y software simulador de circuitos 1 Tablero de conexión sin soldaduras (Protoboard). Fuente de Poder
C. Corriente continua
Se le llama corriente continua al flujo de cargas eléctricas que no cambia de sentido con el tiempo. La corriente eléctrica a través de un material se establece entre dos puntos de distinto potencial. Cuando hay corriente continua, los terminales de mayor y menor potencial no se intercambian entre sí. Es errónea la identificación de la corriente continua con la corriente constante. Es continua toda corriente cuyo sentido de circulación es siempre el mismo, independientemente de su valor absoluto[5].
Tabla. 1. Tabla de materiales utilizados en la práctica.
La experiencia se simuló completamente ya que el laboratorio no contaba con los suficientes osciloscopios y por tanto no se tomaron los suficientes datos para elaborar este informe. El diodo usado no fue el 1N4001 si no el 144007, el voltaje de la fuente se cambió de 120 v al solo 12 v.
ANALISIS CIRCUITO N°1 D. Corriente Alterna
Se le llama corriente alterna al instante de tiempo en que un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades se invierten tantas veces como ciclos por segundo o hertz posea esa corriente. No obstante, aunque se produzca un constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del polo negativo al positivo, tal como ocurre en las fuentes de FEM que suministran corriente directa[6].
Se analizó el siguiente circuito. D1 1N4001
V1 AMP=120V
R1 1k
II. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. En la Corporacion Universitaria del Caribe, en el laboratorio de ingeniería de Sistemas fue llevada acabo la práctica referente a Convertidores ACDC. 2
Imagen N°3 Circuito (Circuito Base 1).
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MEDICIONES DE SEÑALES DE ONDA EN LA FUENTE A.C
Supimos que la frecuencia de entrada en la fuente fue de 60 Hz. A 60 Hz la forma de onda estuvo representada por la siguiente onda.
Imagen N°4 (Conexión Canal 1 a fuente A.C).
La fuente se ajustó en 12 voltios a una frecuencia de 60 Hz, al graficar nos encontramos con una onda sinusoidal. Grafica N°3 (onda de la fuente a 60 Hz)
Grafico N°1 (Forma cíclica de la corriente en A.C)
En la corriente en A.C la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda sinusoidal (Grafico N°1), puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Tiene 2 semiciclos, uno positivo y uno negativo, de 0 a π la gráfica se encuentra en el semiciclo positivo donde el voltaje es positivo; y de π a 2π la corriente pasa al semiciclo negativo donde el voltaje es negativo. A continuación se representa mediante un gráfico.
lo anteriormente dicho
Nos dimos cuenta que para completar un ciclo la onda necesita de aproximadamente 16 milisegundos; atendiendo a la formula anteriormente descrita donde F=1/T, T en segundos, tenemos que F=1/(16/1000) F=62,5 Hz; recordemos que la medición implico el error humano. El error para esta medición fue: Error absoluto= (62.5Hz/60 Hz) =2.5. Error relativo=2.5/60= 0,04166*100%=4.16%; lo que quiere decir que estuvo dentro de lo aceptado. Pudimos concluir que incluyendo los errores de medición la frecuencia de entrada es igual o aproximada a la frecuencia de salida. MEDICIONES DE SEÑALES DE ONDAS EN EL CIRCUITO El canal 2 del osciloscopio fue conectado al resistor para obtener una forma de onda completamente diferente a la medida en el Grafico N°1 (Forma cíclica de la corriente en A.C), como se demuestra a continuación.
Grafico N°2 (Representación teórica de una onda sinusoidal en la corriente en A.C)
FRECUENCIA DE ENTRADA Y SALIDA EN EL CIRCUITO N°1
Imagen N°5 (Conexión canal 2 del osciloscopio al resistor).
La frecuencia en la corriente alterna está determinada por 1/T, donde T es el tiempo en segundos.
La onda fue distinta ya que esta estuvo rectificada (1 Diodo rectificador).
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Rectificadores de media onda y onda completa.
Para el semiciclo positivo tuvimos el diodo polarizado directamente; esto permitió el paso de la corriente por el circuito. La grafica para este tramo es la siguiente:
Grafica N°4 (onda en el resistor rectificada).
En esta experiencia nos hicimos la pregunta ¿Por qué da una onda diferente a la medida en el Grafico N°1 (Forma cíclica de la corriente en A.C)?. La respuesta estuvo en el diodo y el origen de la corriente; la corriente al estar en A.C tiene 2 semiciclos (+ y -), es como si esta cambiara de sentido. El diodo rectificador tiene la propiedad de polarizarse inversa o directamente según sea la entrada de la corriente (+ o -) por el lado negativo o positivo del diodo ++ se polariza directamente y +- se polariza inversamente.
Grafico N°5 (Tramo de onda Semiciclo positivo).
Cuando fue el semiciclo negativo, la corriente cambio de sentido; el cual hizo que el diodo quedara polarizada inversamente, lo que no permitió el paso de la corriente ya que este funciono como un switch abierto.
Imagen N°6 (Diodo polarizado directa e inversamente).
Grafico N°6 (Tramo de onda Semiciclo negativo) . Imagen N°7 (Semiciclo positivo y polarización directa del diodo).
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En el anterior grafico destacamos que al no circular corriente por el circuito el voltaje en ese tramo del semiciclo negativo fue cero.
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MEDICIONES DE LA EQUIVALENCIA VOLTAJE EN DC (CORRIENTE DIRECTA).
DEL
El voltímetro se conectó en el resistor para medir la caída de tensión, aquí asociamos los conceptos de valores pico y valores promedio en el voltaje. Los valores pico son los valores máximos negativos o positivos que alcanza la onda y el valor promedio es el producto entre el promedio de todas las corrientes instantáneas inducidas durante un ciclo de rotación (en este caso 0,3185 por ser media onda) y el valor pico de la onda. El valor pico de la onda medido es igual a 16.29 voltios aproximadamente.
Imagen N°9 (Conexiones del osciloscopio a la fuente y al resistor).
Observamos que la frecuencia de la fuente fue igual a la frecuencia del resistor.
Imagen N°8 (Máximo Voltaje medido en el resistor).
Grafica N°7 (Frecuencias de la señal en el resistor y en la fuente)
Para medir la equivalencia en corriente directa se hallar el valor en RMS el cual produce la misma disipación de calor que una corriente directa de la misma magnitud.
*La línea en color azul representa la frecuencia del resistor. *La línea en color rojo la frecuencia en la fuente A.C.
Hay que aclarar que este circuito no cuenta con un trasformador y por ello todas las mediciones se hicieron con respecto a la fuente ya que esta trabaja como un trasformador. COMPARACION DE FRECUENCIAS DE LA FUENTE Y DEL RESISTOR. Se conectó el canal 1 del osciloscopio a la fuente de corriente A.C y el canal 2 del osciloscopio al resistor como se ilustra a continuación:
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La amplitud de la onda de la fuente fue mayor a la amplitud de la onda en el rectificador ya que este necesita 0.7 voltios para poder conducir. Sabemos que la señal azul estaba rectificada ya que contaba con un resistor (Resistor ratificador), lo que quiere decir que el rectificador de media onda hacia que en un tiempo 2π solo hiciere media oscilación; por ende la frecuencia de entrada (Fin) fue igual a la frecuencia de Salida) Fout. 60Hz=60Hz.
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Rectificadores de media onda y onda completa.
ANÁLISIS DEL CIRCUITO N°2.
Imagen N°12 (Flujo de corriente para el semiciclo positivo en el diodo 1). Imagen N°10 (Circuito base 2).
La forma de la onda para el flujo anterior se representa a continuación:
ANALSIS DE MEDICIONES DE SEÑALES DE ONDA EN EL DIODO N°1 Se ubicó el canal 1 del osciloscopio en el diodo N°1 como se denota a continuación:
Grafica N°9(forma de onda para el semiciclo positivo)
Para el semiciclo negativo obtenemos una un flujo de corriente totalmente diferente.
Imagen N°11 (Conexión del osciloscopio en el diodo 1).
Imagen N°13 (Flujo de corriente para el semiciclo negativo en el diodo 1). Grafica N°8 (señal de onda en el diodo N°1).
La grafica anterior representa la señal de onda para el semiciclos positivo y negativos de la fuente de voltaje A.C en el diodo N°1. Teniendo S2 abierto la corriente no pasó por ese tramo y no se pudo completar el circuito totalmente. Obtuvimos para el semiciclo positivo un flujo de corriente como se muestra a continuación.
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Aquí al estar S2 abierto no se completa el ciclo en este tramo, en el semiciclo negativo el diodo se polariza inversamente por lo que no pasa corriente en el circuito. El voltaje aquí es cero.
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Imagen N°15 (semiciclo positivo, polarización inversa del diodo N°2).
Grafica N°10 (Forma de onda para el semiciclo Negativo).
Para el semiciclo negativo el diodo se polarizo directamente dando paso a la corriente por el tramo que conectaba S2. A continuación se presenta el flujo de corriente en el semiciclo negativo.
ANALSIS DE MEDICIONES DE SEÑALES DE ONDA EN EL DIODO N°2 Se ubicó el canal 2 del osciloscopio en el Diodo N°2. Y se abrió S1. Imagen N°16 (Semiciclo negativo, Polarización directa del diodo). Aquí se obtuvo una gráfica contraria con respecto a la Grafica N°8 (señal de onda en el diodo N°1). A continuación se muestran los diodos N°1 y N°2 conectados cada uno a los canales del osciloscopio. Imagen N°14 (Conexión del canal 2 del osciloscopio en el diodo 2).
El resultado da una gráfica sinusoidal con picos máximos en el semiciclo negativo.
Grafica N°12 (señal de los diodos N°1 y N°2).
Como decíamos anteriormente en el semiciclo positivo el diodo N°1 se polarizó directamente permitiendo el paso de la corriente, caso contrario sucede en el diodo N°2; aquí este se polariza inversamente impidiendo el paso de la corriente. ANALSIS DE SEÑALES ONDA EN EL RESISTOR. Grafica N°11 (señal de onda en el diodo N°2).
Cerramos S2 y abrimos S1, el flujo de corriente cambio significativamente con respecto a la Imagen N°9 (Flujo de corriente para el semiciclo positivo en el diodo 1); ya que cuando se encontraba en el semiciclo positivo el paso de la corriente polarizó el diodo inversamente y no permitió el paso de la corriente como denotamos a continuación.
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Se ubicó el canal 1 del osciloscopio en el resistor y se cerraron S1 y S2 de la corriente pudiera circular por todo el circuito como se muestra a continuación.
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0,0085 segundos. Para calcular frecuencia: Fr=1/T Fr=1/0.0085 seg. Fr= 117,64 Hz. Error absoluto= |(117,64 Hz-120 HZ)| =2.35 Error relativo= (2.35/120)*100%= 1.96%. Imagen N°17(conexión del osciloscopio al resistor).
Los diodos conectados en el circuito funcionan de tal manera que la corriente en A.C permite que estos se alternen para pasar corriente en el circuito.
A continuación se re presenta lo anteriormente dicho mediante un gráfico.
Grafica N°13 (señal rectificada en el resistor).
El voltaje fue menor ya que el resistor impidió su paso.
ANALISIS DE MEDICIÓN DE FRECUENCIAS EN EL CIRCUITO.
Grafico N°14 (Relación de frecuencias de entrada y salida)
*Linea Azul=Frecuencia de entrada. *Linea roja =frecuencia de salida. ANALISIS CIRCUITO N°3.
Supimos que la frecuencia de entrada en el diodo fue de 60 Hz pero recordemos que nos encontramos con un circuito rectificado con 2 diodos y un trasformador con derivación central lo cual nos da una señal de onda completa y por la teoría nos dimos cuenta que la frecuencia de salida fue el doble de la frecuencia de entrada Fin=2Fout.
Diseño del circuito 3.
Para este caso la frecuencia de entrada es de 60Hz y la de salida es 120 Hz Matematicamente se verificó lo anteriormente dicho: Tiempo en primera cresta para la señal de onda del resistor=10.50 Milisegundos. Tiempo en segunda cresta para la señal de onda del resistor=19 Milisegundos. El periodo (T)=19-10.50=8.5Milisegundos.
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Imagen N°18 (Circuito base N°3).
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ANALSIS DE SEÑALES ONDA EN EL RESISTOR. Se ubicó el osciloscopio en el resistor 1 y se cerraron los switchs S1 y S4 como lo muestra la figura:
La onda que describe este circuito de acuerdo a los parámetros planteados anteriormente (Apertura de los interruptores S1 y S4 y el cierre de S2 y S3), es la siguiente:
Imagen N°19 (conexión del osciloscopio al resistor).
Grafico N°15 (onda rectificada Circuito 3 con S1 y S4 abiertos).
Para el semiciclo positivo La corriente paso por los diodos 2 y 3 como se muestra en la figura:
Imagen N°20 (flujo de corriente para el semiciclo positivo).
Pudimos notar que este circuito se comporta como uno con un rectificador de media onda ya que para el semiciclo positivo los diodos D2 y D3 dan el paso a la corriente y para el semiciclo negativo los anteriores se polarizaron inversamente y al estar los interruptores S1 y S4 abiertos la corriente no puede pasar por los otros 2 diodos. Cuando cerramos los interruptores S2 y S3 y se abrieron S1 y S4 la corriente no pasaba por los diodos N°1 y N°4; aquí en este circuito con los parámetros descritos anteriormente las cosas cambiaron radicalmente con respecto a la Imagen N°16 (flujo de corriente para el semiciclo positivo). A continuación se muestra el flujo de corriente que circuló por el circuito para el semiciclo positivo.
Para el semiciclo negativo, al estar abiertos los interruptores S1 y S4, la corriente no pudo pasar por los diodos 1 y 4. Los otros diodos (Diodo 2 y Diodo 3) estaban inversamente polarizados y el paso de corriente era nulo en ellos.
Imagen N°22 (Flujo de corriente para el semiciclo positivo en los diodos 1 y 4).
Imagen N°21 (flujo de corriente para el semiciclo Negativo). 5
Para el semiciclo negativo el flujo de corriente si pasó por los diodos N°1 y N°4 como se muestra a continuación.
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*Flechas Azules =Flujo de corriente interrumpida por los diodos 1 y 4 como producto de su polarización inversa para el semiciclo positivo. En los diodos 1 y 4 en el semiciclo negativo La corriente no era conducida, ya que estos se polarizaron en forma inversa; situación contraria sucedió en los diodos 2 y 3 que para el semiciclo negativo quedaron en plolarizacion directa. Imagen N°23 (Flujo de corriente para el semiciclo negativo en el diodo 1 y 4). La forma de la señal que describió el movimiento fue la siguiente.
Imagen N° 25(flujo de corriente para el semiciclo positivo).
Grafica N°16 (onda rectificada Circuito 3 con S2 y S3 abiertos).
Procedimos a cerrar los 4 switchs o interruptores en el circuito en este instante el flujo de corriente se alternaba y los diodos 2 y 3 se polarizándolos de forma directa para el semiciclo positivo, mientras que los diodos 1 y 4 se polarizaron inversamente impidiendo el paso de la corriente.
*Flechas rojas=Flujo de corriente por los diodos 1 y 4 en el semiciclo negativo (polarizados directamente). *Flechas Azules =Flujo de corriente interrumpida por los diodos 2 y 3 como producto de su polarización inversa para el semiciclo negativo. Teniendo en cuenta el análisis anterior pudimos entender mejor el comportamiento de la gráfica:
Grafica N°17(onda completa para el circuito 3).
Imagen N° 24(flujo de corriente para el semiciclo positivo).
*Flechas rojas=Flujo de corriente por los diodos 2 y 3 en el semiciclo positivo (polarizados directamente).
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CALCULO DEL VOLTAJE EN DC EN EL RESISTOR. Calculamos el voltaje en DC de la onda anteriormente conociendo el valor pico de la onda, en este caso sería la amplitud en voltios.
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Se pudo corroborar lo anteriormente planteado de forma matemática; conocemos previamente que el valor de la Frecuencia es igual a 1/ T, donde T es el periodo en segundos que tarda una onda en dar un ciclo, es medida entre cresta y cresta o entre valle y valle. Para la señal de onda del trasformador (Linea amarilla) tuvimos un periodo de 16.4 milisegundos (21.30 milisegundosprimera cresta y 37.70 milisegundos para la segunda cresta) T=37.70-21.30 16.4 milisegundos. Es decir que la señal de onda del trasformador para que complete una oscilación necesita aproximadamente de 16.4 milisegundos. Grafico N°18 (Voltaje pico de la onda en el resistor).
. Recordemos que un Voltaje en DC de una corriente es el valor, que produce la misma disipación de calor que una corriente continua de la misma magnitud. ANALISIS DE MEDICIONES DEFRECUENCIAS EN EL CIRCUITO. La frecuencia salida en la fuente de corriente alterna se estableció en 60 Hz, el trasformador solo cambio la amplitud de la señal mas no lo frecuencia por lo tanto la frecuencia fue la misma en ese componente. Midiendo la frecuencia en el resistor no dimos cuenta que ésta gráficamente es el doble de la frecuencia de entrada (la del trasformador).
Ahora bien de la señal de onda que se obtuvo en el resistor podemos concluir gráficamente que esta tiene mayor frecuencia que la descrita por la señal de onda del trasformador. Teóricamente se tiene que la frecuencia para los rectificadores de onda completa es el doble de su frecuencia de entrada. Frecuencia de entrada=60 Hz. Frecuencia de salida=? Fr=2*60=120Hz Teniendo calculado el valor teórico procedimos a compararlo con el valor que obtuvimos de las mediciones: Tiempo en primera cresta para la señal de onda del resistor=21.30 Milisegundos. Tiempo en segunda cresta para la señal de onda del resistor=29.40 Milisegundos. El periodo (T)=29.40-21.3=8.1Milisegundos. Convertimos el anterior valor a segundos =8.1/1000 0,0081 segundos. Para calcular frecuencia: Fr=1/T Fr=1/0.0081 seg. Fr=123.4 Hz. Error absoluto= (123.4 Hz-120 HZ) =3.4 Error relativo= (3.4/120)*100%= 2,833%.
Grafico N°19 (señal de onda en la fuente y el resistor para rectificadores de onda completa).
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Lo que significó que de acuerdo a la teoría, el valor de la frecuencia de un circuito con rectificación de onda completa está definido como Fin=2Fout.
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CONCLUSIONES. Como resultado del análisis de las mediciones experimentales, reconocimos el tipo de onda que se genera a partir de los diferentes rectificadores en cada uno de los circuitos. Al comparar los resultados notamos que la corriente alterna es fluctuante y que en sí genera 2 semiciclos (uno positivo y otro negativo), que hacen que los componentes rectificadores (Diodos) permitan el paso de la corriente o no según sea el caso, recordemos que la propiedad del diodo es que puede conducir corriente en un solo sentido y que puede polarizarse inversa o directamente. Pudimos notar que el voltaje en corriente alterna podía ser convertido en voltaje en corriente directa; gracias a los rectificadores y su funcionamiento.
[2].datateca.unad.edu.co/contenidos/201419/contLi nea/leccin_2_anlisis_de_circuitos_con_diodos.html. [3]. wikipedia.org/wiki/Rectificador_de_onda_completa [4]. wikipedia.org/wiki/Rectificador_de_media_onda [5]. lafisicaparatodos.wikispaces.com/ [6].asifunciona.com/electrotecnia/ke_corriente_alter na/ke_corriente_alterna_1.htm
Al probar el circuito N°1 (Imagen N°3) pagina 5, pudimos corroborar que al solo tener un diodo rectificador la señal de la onda sinusoidal que proporciona la fuente fue totalmente alterada, presentándonos una cresta positiva seguida de un valle (en este caso cero); Sabiendo que la corriente alterna tiene un semiciclo positivo y uno negativo, la onda resultante solo tuvo crestas en el eje vertical positivo como se muestra en Grafica N°4 (onda en el resistor rectificada) pagina 4. Para el semiciclo positivo la frecuencia de la señal de onda de salida del resistor fue igual a la frecuencia de entrada (señal de onda de la fuente). En la experiencia con los circuitos 2 [Imagen N°10 (Circuito base 2) pagina 6] y 3 [Imagen N°18 (Circuito base N°3) pagina 8], los resultados fueron distintos a los arrojados en el primer circuito ya que estos 2 últimos contenían diferentes diodos conectados de tal forma que funcionaban como rectificadores de onda completa; podemos acotar que la frecuencia de entrada para estos circuitos fue ½ de su frecuencia de salida como lo denotan los Grafico N°14 (Relación de frecuencias de entrada y salida) pagina 8 y el Grafico N°19 (señal de onda en la fuente y el resistor para rectificadores de onda completa) pagina 5. REFERENCIAS [1]. Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins (2002). Power Electronics: Converters, Applications, and Design. Wiley.
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