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TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
ESTUDIO DEL CIRCUITO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA
Andrés González Morales - Jesús Santos Barahona – Álvaro Sierra García
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Trabajo de investigación “Estudio del Circuito Rectificador de Media Onda”
Colegio Internacional PeñacoradaÍNDICE
1. Conceptos iniciales1.1. Introducción1.2. Corriente alterna (CA) y corriente continua (CC)1.3. Proceso de rectificación
2. Componentes electrónicos presentes en circuitos rectificadores2.1. Fuente de tensión2.2. Diodo2.3. Resistencia2.4. Condensador
3. Estudio de circuitos rectificadores3.1. Rectificador de media onda (RMMO)3.2. Rectificador de onda completa con Transformador en Toma Central3.3. Rectificador de onda completa en Puente de Graetz3.4. Tabla comparativa de circuitos rectificadores
4. Simulaciones sobre circuitos rectificadores de media onda mediante el software “PsPice”4.1. Simulaciones con tensión constante y resistencia variable
4.1.1. Resistencia de 2 ohmios4.1.2. Resistencia de 5 ohmios4.1.3. Resistencia de 10 ohmios
4.2. Simulaciones con tensión y resistencia constantes y condensador variable4.2.1. Valor capacitivo de 1F4.2.2. Valor capacitivo de 1mF4.2.3. Valor capacitivo de 0.1mF4.2.4. Valor capacitivo de 1uF
5. Conclusión
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1.CONCEPTOS INICIALES
1.1. Introducción
Este trabajo de investigación tiene por objetivo el estudio de la rectificación, proceso mediante el cual la corriente alterna se convierte en corriente continua, y de los circuitos rectificadores que lo hacen posible, centrándonos en el circuito rectificador de media onda. Antes de centrarnos en este proceso, es necesario definir corriente alterna y corriente continua.
1.2. Corriente alterna (CA) y corriente continua (CC)
Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, del término alternating current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. La forma de oscilación de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de oscilación sinusoidal, representada en la figura, puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilación periódicas, tales como la triangular o la cuadrada.
Utilizada genéricamente, la corriente alterna se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (omodulada) sobre la señal de la corriente alterna.
Por otro lado, la corriente continua o corriente directa (abreviada CC en español y DC en inglés, del término direct current) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna, en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección.
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1.3. Proceso de rectificación
Ahora que ya conocemos un poco mejor los dos tipos de corriente, podemos centrarnos en el proceso de rectificación.
Tanto la generación como el transporte y la distribución de energía eléctrica se realizan de una manera más simple y eficiente en corriente alterna.
Sin embargo, salvo los motores y algunos sistemas de iluminación, la gran mayoría de los equipos con alimentación eléctrica funcionan con corriente continua. Así, se plantea la necesidad de convertir la corriente alterna en corriente continua, lo cual se logra mediante el proceso de rectificación.
Para conseguir esta conversión, se utilizan los distintos circuitos rectificadores, objeto de este trabajo. Estos circuitos son los que permiten la conversión de corriente alterna en corriente continua, y están compuestos de diversos elementos eléctricos que a continuación pasamos a describir.
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2.COMPONENTES ELECTRÓNICOS PRESENTES EN CIRCUITOS RECTIFICADORES
2.1. Fuente de tensión
Una fuente de tensión es el tipo de fuente de alimentación que encontramos en prácticamente cualquier circuito, como, por ejemplo, una batería o una célula fotoeléctrica. Se trata de un elemento activo, es decir, un elemento capaz de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control de ellos, capaz de proveer una diferencia de potencial o tensión eléctrica constante entre sus bornes, de manera que la corriente que entregan depende del valor de la resistencia del circuito. En la imagen podemos observar su símbolo eléctrico.
Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producirá un flujo de electrones. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico (ley de Henry). Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente eléctrica.
La tensión eléctrica generada por esta fuente se mide en voltios (V) en el Sistema Internacional de Unidades, y estos se miden con un voltímetro.
2.2. Diodo
Un diodo (término procedente del griego “dos caminos”) es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección con características similares a un interruptor.
De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones. Por un lado, debajo de cierta diferencia de potencial (generada por la fuente de tensión), se comporta como un circuito abierto, es decir, no permite el flujo de electrones. Por otro lado, por encima de esa tensión eléctrica, se comporta tal y como lo haría un corto circuito con una resistencia eléctrica muy pequeña.
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2.3. Resistencia
Se denomina resistencia eléctrica, simbolizada de forma generalizada como R, a la dificultad u oposición que presenta un cuerpo al paso de una corriente eléctrica para circular a través de él.
En el Sistema Internacional de Unidades, su valor se expresa en ohmios, en honor al en honor al físico alemán George Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre: "la intensidad de la corriente que pasa por un conductor es directamente proporcional a la longitud e inversamente proporcional a su resistencia". Este valor se designa con la letra griega omega mayúscula, Ω. Para su medida existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmímetro.
En un circuito eléctrico, puede simbolizarse de dos formas diferentes, tal y como se observa en la figura:
2.4. Condensador
Un condensador o capacitor es un dispostivo que almacena energía eléctrica. Está formado por un par de superficies conductoras generalmente en forma de láminas, separados por un material dieléctrico o por el vacío. Los condensadores, sometidos a una tensión, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de las placas y negativa en la otra, de forma que la carga total almacenada es nula.
La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la tensión entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad o capacitancia. Ese valor capacitivo se mide en faradios, F, en el Sistema Internacional de Unidades.
Existen muchos tipos, aunque el más común es el no polarizado.
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3.ESTUDIO DE CIRCUITOS RECTIFICADORES
Ya hemos visto que la rectificación se lleva a cabo por medio de uno o más diodos. Como es sabido, estos dispositivos idealmente permiten el paso de la corriente en un sentido y lo bloquean en el otro. Existen varios tipos de configuraciones rectificadoras elementales, que analizaremos a continuación.
3.1. Rectificador de media onda
En la figura 1 se representa esquemáticamente un rectificador de media onda en elcual un diodo se interpone entre la fuente y la carga.
Cuando la tensión vS de la fuente es positiva, el sentido de la corriente es favorable y se produce la circulación, por lo cual suponiendo el diodo ideal (y por lo tanto sin caída de tensión), será vL = vS.
Cuando, en cambio, vS < 0, el diodo no conduce y entonces vL = 0. Esto se ilustra en lafigura 2 para una típica señal senoidal. Se ha indicado tanto la tensión en la carga comola corriente que circula por ella y por la fuente (la tensión y las corrientes en este caso
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difieren únicamente en un factor de escala). Invirtiendo el diodo se logra una tensiónnegativa.
3.2. Rectificador de onda completa con Transformador en Toma Central
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3.3. Rectificador de onda completa en Puente de Graetz
3.4. Tabla comparativa de circuitos rectificadores
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4. SIMULACIONES SOBRE CIRCUITOS RECTIFICADORES DE MEDIA ONDA MEDIANTE EL SOFTWARE “PSPICE”
Tras conocer qué es la rectificación, qué objetivo se busca con ella, los distintos elementos que aparecen en los circuitos rectificadores y realizar el estudio de los distintos tipos circuito, pasamos a centrarnos en los rectificadores de media onda para hacer prácticas sobre su funcionamiento.
Mediante el software “PsPice”, realizaremos una serie de simulaciones con circuitos a partir de las cuales obtendremos nuestra conclusión final. Estas simulaciones estarán divididas en dos grupos.
4.1. Simulaciones con tensión constante y resistencia variable
En este primer grupo, haremos simulaciones sobre un circuito rectificador de media onda sin condensador, únicamente con fuente de tensión, diodo y resistencia. El valor de la tensión de alimentación será constante (20V) mientras que variaremos la resistencia de carga. Cada simulación dispondrá del circuito simulado y de las formas de onda de la tensión de alimentación (verde) y de la tensión (rojo) e intensidad (azul) en la resistencia. A partir del estudio de estas formas de onda, buscamos estudiar los efectos de variar el valor de la resistencia en un circuito.
4.1.1. Circuito rectificador de media onda con tensión de alimentación de 20 voltios y resistencia de carga de 2 ohmios
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A partir del circuito expuesto en la figura, se obtienen las siguientes formas de onda:
4.1.2. Circuito rectificador de media onda con tensión de alimentación de 20 voltios y resistencia de carga de 5 ohmios
A partir del circuito expuesto en la figura, se obtienen las siguientes formas de onda:
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4.1.3. Circuito rectificador de media onda con tensión de alimentación de 20 voltios y resistencia de carga de 10 ohmios
A partir del circuito expuesto en la figura, se obtienen las siguientes formas de onda:
4.2. Simulaciones con tensión y resistencia constantes y condensador variable
En este segundo grupo haremos simulaciones sobre un circuito rectificador de media onda en el que aparece un condensador. El valor de la tensión de alimentación (20V) y de la resistencia de carga (3 ohmios) será constante, mientras que el valor del condensador será variable. De nuevo, cada simulación dispondrá del circuito simulado y de las formas de onda de la tensión de alimentación (verde) y de la tensión (rojo) e intensidad (azul) en el conjunto “resistencia y condensador”. A partir de estas formas de onda podremos estudiar la diferencia de disponer de un condensador en un circuito rectificador o no disponer de él, al hacer la comparación con las formas de onda del grupo anterior.
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4.2.1. Circuito rectificador de media onda con tensión de alimentación de 20 voltios, resistencia de carga de 3 ohmios y condensador en serie de 1F de valor capacitivo
A partir del circuito expuesto en la figura, se obtienen las siguientes formas de onda:
4.2.2. Circuito rectificador de media onda con tensión de alimentación de 20 voltios, resistencia de carga de 3 ohmios y condensador en serie de 1mF de valor capacitivo
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A partir del circuito expuesto en la figura, se obtienen las siguientes formas de onda:
4.2.3. Circuito rectificador de media onda con tensión de alimentación de 20 voltios, resistencia de carga de 3 ohmios y condensador en serie de 0.1mF de valor capacitivo
A partir del circuito expuesto en la figura, se obtienen las siguientes formas de onda:
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4.2.4. Circuito rectificador de media onda con tensión de alimentación de 20 voltios, resistencia de carga de 3 ohmios y condensador en serie de 1uF de valor capacitivo
A partir del circuito expuesto en la figura, se obtienen las siguientes formas de onda:
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5.CONCLUSIÓN
Una vez hecho un estudio teórico sobre la materia y numerosas prácticas, obtenemos una conclusión, resultado de nuestro trabajo de investigación.
A partir del primer grupo de simulaciones, obtenemos el efecto de la resistencia eléctrica en un circuito rectificador. Tras observar la forma de la onda de tensión e intensidad en la resistencia, se concluye que cuanto mayor es el valor de la resistencia, más pequeña es la intensidad que pasa por ella.
La explicación de este hecho se obtiene a partir de la Ley de Ohm, que reza: V=I·R
Donde V es la tensión, I la intensidad y R la resistencia.
Dado que la tensión es la misma en todos los casos (casi los 20 voltios que la fuente de tensión proporciona, al producirse una leve caída de tensión en el diodo dado que no es ideal), y para mantener el resultado de la multiplicación constante, si el valor de R sube, el valor de I tiene que bajar. Esto se puede apreciar claramente en la gráfica azul (intensidad en la resistencia) para cada una de las tres simulaciones realizadas.
Con el segundo grupo de simulaciones, y en comparación con las del primer grupo, descubrimos la diferencia existente en un circuito rectificador entre tener o no tener condensador, y las diferencias que se producen al variar el valor capacitivo de dicho condensador.
Analizando las gráficas obtenidas en el primer grupo de simulaciones (sin condensador) y observando las obtenidas en el segundo grupo (con condensador), se aprecia claramente que el hecho de añadir ese condensador en serie es lo que nos permite obtener el efecto deseado, convertir la corriente alterna (verde) en corriente continua (rojo), de forma que el circuito rectificador cumpla su función.
Finalmente, comparando entre sí aquellas simulaciones con condensador en serie, obtenemos una segunda conclusión sobre el rendimiento del condensador, la cual se puede apreciar comparando la forma de la onda roja en las cuatro simulaciones realizadas: cuanto menor es el valor del condensador, mejores son los resultados.
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