CIRCUITOS CON DIODOS
Multiplicadores de tensión
A veces hay cargas que necesitan una tensión muy alta y que absorben una corriente pequeña
EJEMPLO: Tubo de rayos catódicos (TV, monitor de ordenador, osciloscopio).
Entonces hay que elevar la tensión de la red. Primero se pone un transformador elevador con todos los diodos y condensadores que necesite.
Y tenemos un rizado casi nulo.
El mayor problema es que el transformador elevador sería muy voluminoso porque necesitaría muchas espiras, además el campo eléctrico sería grande, VIP del diodo también (VIP = 2Vpico = 2·933 = 1833 V en inversa), mucha tensión en el C, etc...
Por eso no se usa un transformador elevador sino que se utiliza un multiplicador de tensión. Hay varios tipos de multiplicadores de tensión, nosotros analizaremos estos cuatro:
Para comenzar a analizar este tipo de circuitos es interesante tener en cuenta este truco.
Truco: Empezar en el semiciclo (malla) donde se cargue un solo condensador.
Entonces nos queda de esta forma si ponemos la carga en C2:
La masa se coloca en la borna negativa del condensador
Y se carga C2 a 622 V. Y como se ve, si se conectan las bornas a C2, esto es un doblador de tensión. Como la corriente de descarga es pequeña, el C2 se descarga despacio con una constante de tiempo de valor:
Resumiendo tenemos:
Como es de 50 Hz se puede decir que es un "Doblador de tensión de media onda". Si cambiamos un poco el circuito tendremos otro ejemplo:
Doblador de tensión de onda completa
Quitamos la carga para analizarlo. Pulsar doblemente el la imagen para ver su comportamiento:
Como ya se ha dicho antes empezamos por donde halla un solo condensador.
Si representamos VL en función del tiempo.
Primero uno luego el otro, se van turnando los 2 condensadores, como cada uno es de 50 Hz los 2 a la vez son 100 Hz.
Este circuito tiene una ventaja respecto al anterior: El rizado es más pequeño. La desventaja radica en que no sabemos donde colocar la masa, en el caso anterior lo teníamos fácil, pero ahora si ponemos debajo de RL no hay ninguna borna de la red a masa.
Si conectamos una carga también a masa puede haber un cortocircuito. Hay que andar con cuidado al usar ese circuito.
Triplicador
Al de media onda se le añade algo.
El principio es idéntico: Semiciclo negativo se carga C1, semiciclo positivo se carga C2 a 622 V, semiciclo negativo se carga C3 a 622 V, 2 veces el pico.
Ahora elegimos las bornas para sacar:
Con esto se puede hacer un doblador y un triplicador dependiendo de donde se colocan las bornas. Y tenemos 933 V a la salida.
El truco consiste en que la cte de tiempo de descarga sea:
Y si a este circuito se le añade una etapa más (diodo y condensador) se convierte en un cuadriplicador.
Cuadriplicador
Es como los anteriores, y la tensión se toma como se ve en la figura:
Simulación
Aplicación: Estos circuitos que hemos visto sirven para conseguir unas tensiones grandes y por ello se pueden usar en los "Tubos de Rayos Catódicos".
Los electrones deben ser acelerados para chocar con la pantalla a una velocidad muy grande, se excita un electrón de fósforo y al volver cede energía en forma de luz. Para acelerar los electrones hace falta una tensión muy grande para que cojan velocidad.
LIMITADORES O RECORTADORES
Figura 12 Limitador Positivo
Figura 13 Limitador Negativo
a)
Figura. 15 Sujetador o Cambiador de Nivel Positivo
Figura. 16 Sujetador o Cambiador de Nivel Negativo
MULTIPLICADORES DE VOLTAJE
Figura. 17 Circuito doblador de Voltaje de Media Onda
Figura. 18 Triplicador de voltaje
Figura. 19 Cuadriplicador.
Figura. 20 Onda completa duplicador.
Entonces hay que elevar la tensión de la red. Primero se pone un transformador elevador con todos los diodos y condensadores que necesite.
El mayor problema es que el transformador elevador sería muy voluminoso porque necesitaría muchas espiras, además el campo eléctrico sería grande, VIP del diodo también (VIP = 2Vpico = 2·933 = 1833 V en inversa), mucha tensión en el C, etc...
Por eso no se usa un transformador elevador sino que se utiliza un multiplicador de tensión. Hay varios tipos de multiplicadores de tensión, nosotros analizaremos estos cuatro:
- El Doblador de tensión
- El Doblador de tensión de onda completa
- El Triplicador
- El Cuadriplicador
Truco: Empezar en el semiciclo (malla) donde se cargue un solo condensador.
Y se carga C2 a 622 V. Y como se ve, si se conectan las bornas a C2, esto es un doblador de tensión. Como la corriente de descarga es pequeña, el C2 se descarga despacio con una constante de tiempo de valor:
Quitamos la carga para analizarlo. Pulsar doblemente el la imagen para ver su comportamiento:
Este circuito tiene una ventaja respecto al anterior: El rizado es más pequeño. La desventaja radica en que no sabemos donde colocar la masa, en el caso anterior lo teníamos fácil, pero ahora si ponemos debajo de RL no hay ninguna borna de la red a masa.
Si conectamos una carga también a masa puede haber un cortocircuito. Hay que andar con cuidado al usar ese circuito.
Triplicador
El principio es idéntico: Semiciclo negativo se carga C1, semiciclo positivo se carga C2 a 622 V, semiciclo negativo se carga C3 a 622 V, 2 veces el pico.
Ahora elegimos las bornas para sacar:
El truco consiste en que la cte de tiempo de descarga sea:
Cuadriplicador
Es como los anteriores, y la tensión se toma como se ve en la figura:
Es un cuadriplicador de tensión de media onda.
Los diodos se suponen ideales (1ª Aproximación).
Solo hay que pulsar la tecla "Empezar" y comenzara el proceso de carga de los diodos en sucesivos circuitos equivalentes. Se puede observar si los diodos están en ON o en OFF, al igual que se ve el valor de la carga de los condensadores.
Si se pulsa el botón de "Pausa", el proceso se congelara hasta que pulsemos "Continua".
Aplicación: Estos circuitos que hemos visto sirven para conseguir unas tensiones grandes y por ello se pueden usar en los "Tubos de Rayos Catódicos".
LIMITADORES O RECORTADORES
Un Limitador o Recortador es un circuito capaz de suprimir porciones positivas o negativas de una señal.
LIMITADOR POSITIVO
Un limitador positivo recorta o limita la parte superior de una señal, Esto significa que recorta porciones de Tensión en los semiciclos positivos.
Figura 12 Limitador Positivo
La figura 12 muestra un Limitador Positivo y el circuito funciona de la siguiente manera:
El diodo es polarizado en directa durante los semiciclos positivos y en inversa durante los semiciclos negativos. Cuando el diodo esta polarizado en directa se produce un corto que ocasiona una caída de tensión en la resistencia RL que se aprecia como un recorte en el semiciclo positivo, Idealmente dicha caída debería recortar totalmente el semiciclo, en la practica el diodo no es ideal y el recorte termina en 0.7V.
LIMITADOR NEGATIVO
Un limitador negativo recorta o limita la parte inferior de una señal, Esto significa que recorta porciones de Tensión en los semiciclos negativos.
Figura 13 Limitador Negativo
La figura 13 muestra un Limitador Negativo y el circuito funciona de la siguiente manera:
El diodo es polarizado en directa durante los semiciclos negativos y en inversa durante los semiciclos positivos. Cuando el diodo esta polarizado en directa se produce un corto que ocasiona una caída de tensión en la resistencia RL que se aprecia como un recorte en el semiciclo negativo, Idealmente dicha caída debería recortar totalmente el semiciclo, en la practica el diodo no es ideal y el recorte termina en −0.7V.
LIMITADORES POLARIZADOS
El nivel del voltaje que se limita se puede ajustar añadiendo una fuente de tensión (VCC) en serie con el diodo.
a)
b)
Figura 14 a) Limitador Positivo Polarizado b) Limitador Negativo Polarizado
De esta forma el circuito limitador recorta toda entrada de tensión por encima de:
VCC + 0.7V ----- Limitador Positivo
−VCC – 0.7V ----- Limitador Negativo
Para que un limitador funcione correctamente se debe tener en cuenta la siguiente regla:
100RB < RS <0.01RL
La regla dice que la resistencia en serie debe ser 100 veces mayor que la resistencia interna del diodo y 100 veces menor que la resistencia de carga.
SUJETADORES O CAMBIADORES DE NIVEL
Un circuito sujetador añade un nivel de CC a voltaje de AC.
Como en el caso anterior, de los limitadores, hay dos tipos de sujetadores, los de nivel positivo y los de nivel negativo.
Figura. 15 Sujetador o Cambiador de Nivel Positivo
El circuito sujetador de nivel positivo funciona de la siguiente forma:
Durante los semiciclos negativos el diodo esta polarizado en directa permitiendo que el capacitor C se cargué aproximadamente a VP (in) – 0.7V donde VP (in) es el voltaje pico de la señal de entrada. Después del pico negativo el diodo queda polarizado en inversa y esto es porque la carga positiva adquirida por el condensador bloquea al cátodo del diodo y busca descargarse a través de R.
La idea es que el capacitor no se descargue totalmente cuando el diodo esta en inversa para así mantener una corriente continua aproximada a VP (in) – 0.7V que por superposición cambie el nivel DC de la señal de entrada.
Para calcular la constante de tiempo de carga y descarga del condensador del se emplea la formula:
T= R∙C
Una regla práctica de diseño es hacer que la constante de tiempo RC sea 10 veces el valor del periodo de la señal de entrada.
Si invertimos la polaridad del diodo y la del capacitor obtenemos un Sujetador de nivel negativo.
Figura. 16 Sujetador o Cambiador de Nivel Negativo
MULTIPLICADORES DE VOLTAJE
Un circuito multiplicador aumenta los valores de voltaje sin necesidad de cambiar el transformador de la fuente principal. Multiplicando por 2, 3 y 4 el valor de voltaje a su entrada.
El principio de operación de estos circuitos es la carga sucesiva de condensadores debido a la habilitación en cascada de diodos.
Estos circuitos se implementan cuando hay cargas que necesitan una tensión muy alta y que absorben una Corriente pequeña.
Una aplicación común se da en los circuitos que elevan el voltaje para alimentar el Tubo de rayos catódicos de Televisores, Monitores y Osciloscopios.
El Doblador de voltaje de media onda
El Triplicador
El Cuadriplicador
El Doblador de tensión de onda completa
EL DOBLADOR DE VOLTAJE DE MEDIA ONDA
Un doblador de voltaje de media onda es la combinación de un rectificador de media onda con un multiplicador de voltaje con factor de multiplicación 2.
Figura. 17 Circuito doblador de Voltaje de Media Onda
El circuito funciona de la siguiente manera:
Durante el semiciclo positivo el diodo D1 está polarizado en directa y el diodo D2 está polarizado en inversa y el condensador C1 se carga aproximadamente al valor pico del voltaje en la entrada menos la caída de voltaje del diodo (VP – 0.7V).
Durante el semiciclo negativo el diodo D2 está polarizado en directa y el diodo D1 está polarizado en inversa. En este punto el voltaje almacenado en C1 se suma al voltaje de entrada cargando el condensador C2 a (2VP).
D2 rectifica a media onda y C2 filtra la onda pulsante, el resultado es una salida de corriente continua de voltaje aproximadamente el doble de la entrada (2VP).
Demostración por ley de Kirchhoff:
VC1 − VC2 + VP = 0
VC1 = VP – 0.7V
VC2 = VP + VC1
Despreciando la caída del diodo de:
TRIPLICADOR DE VOLTAJE
Figura. 18 Triplicador de voltaje
El circuito funciona de la siguiente manera:
Durante el semiciclo positivo el diodo D1 está polarizado en directa y el condensador C1 se carga aproximadamente al valor pico del voltaje en la entrada.
Durante el semiciclo negativo el diodo D2 está polarizado en directa. En este punto el voltaje almacenado en C1 se suma al voltaje de entrada cargando el condensador C2 a (2VP).
La descarga de C2 carga C3 mientras D3 esta polarizado en directa.
La salida del circuito es aproximadamente 3VP.
CUADRIPLICADOR DE VOLTAJE
Figura. 19 Cuadriplicador.
Si a un circuito Triplicador le agregamos un Diodo y un Condensador adicional en cascada obtendremos un circuito cuadriplicador de voltaje que multiplica por 4 el valor del voltaje de entrada.
En este caso C4 se carga durante el semiciclo negativo a través de D4; la salida del voltaje cuadriplicado se toma en los extremos de C2 y C4.
DOBLADOR TENSION DE ONDA COMPLETA
Figura. 20 Onda completa duplicador.
El circuito funciona de la siguiente manera:
Durante los semiciclos positivos D1 esta polarizado en directa y C1 se carga aproximadamente al valor de VP, luego durante los semiciclos negativos D2 esta polarizado en directa y C2 se carga aproximadamente también al valor de VP; la salida se toma de un extremo de C1 y C2 y el voltaje resultante es 2VP.
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