conceptos basicos de rectificadores electronica i

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El circuito rectificador La función básica del circuito rectificador en una fuente de alimentación es convertir el voltaje de CA obtenido a la salida del transformador en un voltaje de CC pulsante, el cual tiene una polaridad única. Figura 1. Aspecto físico (a) y símbolo (b) de un diodo rectificador Este proceso, denominado rectificación, es posible gracias a la utilización de unos componentes electrónicos llamados diodos, figura 1 diseñados específicamente para permitir la circulación de la corriente en un solo sentido y bloquearla en el sentido opuesto. Figura 2. Acción básica de un diodo rectificador (media onda) Esta característica los hace adecuados para convertir corriente alterna bidireccional en corriente continua unidireccional figura 2. Un diodo permite el paso de corriente cuando el ánodo (A) es positivo con respecto al cátodo (K), y lo bloquea en el caso contrario, figura 3. En el primer caso se dice que esta polarizado directamente y en el segundo que lo esta inversamente. Un diodo polarizado directamente

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Page 1: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

El circuito rectificador

La función básica del circuito rectificador en una fuente de

alimentación es convertir el voltaje de CA obtenido a la salida del

transformador en un voltaje de CC pulsante, el cual tiene una

polaridad única.

Figura 1. Aspecto físico (a) y símbolo (b) de un diodo

rectificador

Este proceso, denominado rectificación, es posible gracias a la

utilización de unos componentes electrónicos llamados diodos, figura 1

diseñados específicamente para permitir la circulación de la corriente

en un solo sentido y bloquearla en el sentido opuesto.

Figura 2. Acción básica de un diodo rectificador (media onda)

Esta característica los hace adecuados para convertir corriente alterna

bidireccional en corriente continua unidireccional figura 2.

Un diodo permite el paso de corriente cuando el ánodo (A) es positivo

con respecto al cátodo (K), y lo bloquea en el caso contrario, figura 3.

En el primer caso se dice que esta polarizado directamente y en el

segundo que lo esta inversamente. Un diodo polarizado directamente

Page 2: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

se comporta como un interruptor cerrado y uno polarizado

inversamente como un interruptor abierto. En el primer caso, la

corriente a través del diodo es la misma de la carga (IL), mientras que

en el segundo el voltaje entre sus terminales es igual al voltaje de

alimentación (Vcc).

Los diodos rectificadores se especifican por su máxima capacidad de

corriente en condiciones de polarización directa y de voltaje en

condiciones de polarización inversa. El diodo 1N4001, por ejemplo, es

de 50V/1A. Esto significa que puede soportar hasta 50 V con

polarización inversa o hasta 1 A con polarización directa. Cuando el

voltaje o la corriente, bajo estas condiciones, exceden los valores

especificados, el diodo se destruye. Como regla práctica, estos valores

pueden escogerse de modo que sean, por lo menos, el doble de los

valores máximos utilizados en el circuito.

Tipos de rectificadores

Los rectificadores pueden ser media onda o de onda completa,

dependiendo de si utilizan uno o ambos semiciclos de la tensión de CA

para producir la tensión de CC pulsante.

a) Diodo Polarizado directamente ccL

L

VI

R

Page 3: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

b) Diodo polarizado inversamente

Figura 3. Polarización directa (a) e inversa (b) de un diodo

Circuitos equivalentes.

El rectificador de la figura 3, por ejemplo, es media onda, porque

ignora los semiciclos negativos y deja pasar únicamente los semiciclos

positivos. En el caso de un rectificador de onda completa, figura 4,

también pasan los semiciclos negativos, pero su polaridad invertida,

quedando así convertidos en semiciclos positivos. A continuación

examinaremos la forma como estos procesos se llevan a cabo.

Figura 4. Acción básica de un rectificador de onda completa

El rectificador de media onda

La forma más sencilla de convertir corriente alterna en corriente

continua es utilizando un rectificador de media onda, como el

mostrado en la figura 5.

Figura 5. Circuito práctico de un rectificador de media onda.

En este caso, durante los semiciclos positivos de la tensión de entrada

aplicada al primario del transformador, el secundario tiene una tensión

positiva entre sus extremos. Por tanto, el diodo queda polarizado

Page 4: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

directamente, permitiendo la circulación de corriente hacia la carga,

figura 6.

Figura 6. Formas de onda de un rectificador de media onda

Durante los semiciclos negativos de la tensión de entrada, el

secundario entrega una tensión negativa entre sus extremos. Por

tanto, el diodo queda polarizado inversamente, impidiendo el paso de

corriente. En otras palabras, el diodo se comporta como un interruptor

cerrado durante los semiciclos negativos, figura 7. Como resultado,

sobre la carga (RL) se produce un voltaje de CC pulsante formado por

pulsos sinusoidales positivos. Debido a que los semiciclos negativos

han sido cortados o eliminados, esta forma de señal se denomina una

media onda.

a) Semiciclos positivos ( )D On

Page 5: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

b) Semiciclos negativos (D = OFF)

Figura 7. Circuitos equivalentes de un rectificador de media

onda

El voltaje de CC pulsante obtenido a la salida de un rectificador de

media onda tiene una frecuencia (f) igual a la de la tensión de la red,

es decir 50 o 60 Hz, y una amplitud igual al valor pico (Vp) de la

tensión en el secundario. Si se conecta un voltímetro de CC entre los

extremos de la carga, el mismo proporcionará una lectura (Vcc) igual

al valor medio de la tensión de salida. Para una señal media onda,

este valor esta dado por:

0.318p

cc p

VV V

Siendo el Vp el valor pico. En la práctica, el voltaje real obtenido sobre

la carga es ligeramente inferior a este valor, debido a que sobre el

diodo se presenta una pequeña caída de voltaje, del orden de 0.7V, en

condiciones de polarización directa. El siguiente ejemplo aclarará

estos conceptos. La práctica 3 los fijara de manera práctica.

Ejemplo 1

Un rectificador de media onda como el de la figura 8 tiene aplicada

una tensión de entrada de CA de 120V/60Hz. Si el secundario entrega

una tensión de salida de 15V a una carga de 100 , ¿Cuál será el valor

medio de la tensión de CC medida por el voltímetro? Asuma que la

caída de tensión en el diodo (VD) es de 0.7V.

Page 6: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

Figura 8. Rectificador de media onda para el ejemplo 1

Solución

Inicialmente debemos calcular el valor pico de la tensión de CA del

secundario (Vp2). Este último puede calcularse a partir del valor rms

dado (15V) así:

2 1.4142 15 21.21P rmsV V V V

Por tanto idealmente, el valor medio del voltaje de salida medido por el

voltímetro es:

0.318 21.21 6.75p

cc

VV ideal V V

En la práctica, a este valor debemos restarle la caída de voltaje sobre

el diodo (0.7V) para obtener el voltaje de salida real. Por tanto:

( ) ( ) 6.75 0.7 6.05cc cc dV real V ideal V V V V

Este último sería el valor finalmente leído en el voltímetro.

Ejemplo 2

Se desea diseñar un transformador para un rectificador de media onda

que suministre 1A de CC de salida a una carga de 10 a partir de una

tensión de red de 220 V, 50 Hz. Para ello se selecciona un diodo

rectificador que tiene una caída de voltaje directa de 0.45V. ¿Cuál

debe ser el valor nominal de la tensión en el secundario?

Page 7: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

Solución

El valor medio del voltaje de CC sobre la carga (VL) es simplemente:

1 10 10L L LV I R A V

Este valor debe ser igual al valor medio ideal de la tensión secundaria

rectificada (0.318Vp) menos la caída de voltaje en el diodo ( 0.45dV V )

Por tanto:

0.318 10.45p L dV V V V

Siendo pV el valor pico de la tensión de salida del secundario. Por

tanto:

10.4532.86

0.318p

VV V

Y

23.32

p

rms

VV V

Lo anterior implica que debe utilizarse un transformador reductor de

220V a 23.3V con una capacidad de corriente superior a 1A.

Rectificador de Onda Completa con transformador de toma intermedia

El rectificador de media anterior es muy sencillo porque utiliza un

mínimo de componentes. Sin embargo, no es muy eficiente, porque

solo permite que circule corriente a través de la carga durante los

semiciclos positivos. Una alternativa es utilizar dos rectificadores de

media onda independientes, figura 9.

Page 8: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

Figura 9. Rectificador de onda completa con dos rectificadores

de media onda

En este caso, el rectificador superior proporciona corriente a la carga

durante los semiciclos positivos de la tensión de entrada y el inferior

durante los semiciclos negativos. Por lo tanto el circuito proporciona

una rectificación de onda completa. Desafortunadamente, necesita dos

transformadores, lo cual lo hace poco práctico.

Un refinamiento del circuito anterior es el rectificador de onda

completa mostrado en la figura 10a, el cual utiliza un transformador

con una derivación intermedia en el devanado del secundario.

Page 9: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

Figura 10. Rectificador de onda completa con transformador de

toma intermedia. Dos versiones del mismo circuito

Esta última es la tierra o línea común de referencia de los voltajes de

entrada o línea común de referencia de los voltajes de entrada y salida

del rectificador, figura 10b. Debido a este modo de conexión, el circuito

es equivalente a dos rectificadores de media onda, excepto que utiliza

un solo transformador.

En la figura 11 se muestran las formas de onda de los voltajes

producidos en el circuito. Todos ellos están referidos a tierra. Desde

este punto de vista, las tensiones producidas en el secundario

2 y 2V a V b son idénticas, pero están desfasadas 180°.

Page 10: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

Figura 11. Formas de onda del rectificador de onda completa

con transformado de derivación central

Durante los semiciclos positivos de la tensión de entrada, V2a es

positiva y V2b es negativa. Por tanto, conduce el diodo D1. Durante

los semiciclos negativos, V2a es negativa y V2b es positiva. Por tanto

conduce el diodo D2. De este modo la carga recibe corriente

unidireccional durante ambos semiciclos.

El voltaje de CC pulsante, obtenido a la salida del rectificador de onda

completa anterior (VL), tiene una frecuencia (f) igual al doble de la

tensión de la red, es decir 100 Hz ó 120 Hz, y una amplitud igual al

valor pico (Vp) de la tensión del secundario. Si se conecta un

voltímetro de CC entre los extremos de la carga, el mismo

Page 11: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

proporcionara una lectura (Vcc) igual al valor medio de la tensión de

salida. Para una señal de onda completa, este valor dado por:

20636

p

p

VVcc V

Siendo el valor pico de V2a o V2b. En la práctica, el voltaje real

obtenido sobre la carga es ligeramente inferior a este valor debido a la

caída de voltaje en cada diodo. El experimento 4 fijara de manera

práctica estos conceptos.

Rectificador de onda completo tipo puente

El rectificador de onda completo con transformador de toma intermedia

elimina algunas desventajas inherentes de los rectificadores de media

onda, pero solo aprovecha la mitad de la tensión disponible en el

secundario. El rectificador de onda completa mostrado en al figura 12,

el cual utiliza cuatro diodos en lugar de dos y no requiere de una

derivación central del transformador, supera esta dificultad,

permitiendo obtener una tensión de salida en CC de la misma amplitud

que la tensión de entrada de CA.

Page 12: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

Figura 12. Rectificador de onda completa con puente de diodos.

Dos versiones del mismo esquema. También se muestra el

aspecto típico de un puente de diodos encapsulado en un solo

modulo.

En la figura 13 se muestran las formas de onda que describen la

operación del circuito. Su funcionamiento puede comprenderse mejor

que con la ayuda de circuitos equivalentes de la figura 14.

En este caso los diodos D2 y D3 conducen durante los semiciclos

positivos de la tensión de entrada, mientras que los diodos D1 y D4 lo

hacen durante los semiciclos negativos. El resultado es una señal de

salida de CC de onda completa sobre la resistencia de carga.

Page 13: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

Figura 13. Formas de onda del rectificador de onda completa

tipo puente (a) Circuito de voltaje de entrada (b) Circuito de

voltaje de salida.

Como puede verse, la forma de onda de la tensión sobre la carga es

idéntica a la obtenida con el rectificador de onda completa de

devanado central.

Por tanto su frecuencia es el doble de la frecuencia de la red (100Hz o

120 Hz) y su valor medio, es decir el medido con un voltímetro de CC,

esta dado por:

20.636

p

cc p

VV V

Siendo pV el valor pico de la tensión de CA de salida del secundario.

En la práctica, el valor obtenido es ligeramente menor, debido a las

Page 14: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

caídas que se presentan en los dos diodos que entran en conducción

durante cada semiciclo.

Figura 14. Circuitos equivalentes de un rectificador de onda

completa con puente de diodos durante los semiciclos positivos

(a) y negativos (b)

Por lo tanto, a la tensión obtenida mediante la fórmula anterior deben

desconectarse alrededor de 1.4 V para obtener la tensión de salida

real. El siguiente ejemplo aclarara estos conceptos. El experimento 5

los fijara de manera práctica.

Ejemplo 3

Suponga que en el circuito de la figura 12a la tensión de CA de

entrada es de 220V/50Hz. Si el transformador T1 tiene una relación de

espiras de 20 a 1 (20:1) y no se tienen en cuenta las caídas de voltaje

en los diodos del puente rectificador, ¿Cuál será el valor del voltaje de

CC medido en la carga?

Page 15: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

Solución

Inicialmente calculamos los valores rms y pico requeridos para el

voltaje de salida del secundario (V2):

2

120

2

1 2202 11 ( )

20 20

2 2 1.4142 11 15.6

V

V

VV V rms

V p V V

Por tanto, ignoramos las caídas de voltaje en los diodos, el valor

medio del voltaje de salida es:

0.636 2 0.636 15.6 9.90ccV V p V

Este sería, idealmente el valor medido en un voltímetro de CC.

Asumiendo una caída total de 1.4 V en los diodos del puente

rectificador, el valor real medido sería del orden de 9.90 1.4 8.5V V V

Puentes rectificadores integrados

La rectificación de onda completa, mediante un puente de diodos, es

una de las técnicas de conversión de CA a CC más utilizadas en el

diseño de fuentes de alimentación, debido principalmente a que no

requiere un transformador con derivación central y proporciona un

voltaje de salida con un valor máximo igual al valor pico de entrada.

Aunque los puentes rectificadores pueden ser construidos con diodos

discretos (individuales), una práctica común es el empleo de puentes

rectificadores integrados, los cuales incorporan los cuatro diodos de un

circuito puente, con sus respectivas conexiones, en una misma

capsula, figura 15.

Los puentes rectificadores integrados se ofrecen en una gran variedad

de presentaciones y, al igual que los diodos rectificadores, se

especifican por su máxima corriente y tensión de trabajo.

Page 16: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

El puente rectificador W04M, por ejemplo, se especifica para una

corriente de 1.5A y un voltaje de 400V. Esto significa que cada uno de

sus diodos internos puede conducir hasta 1.5 A de corriente promedio

hasta la carga y soportar 400 V de voltaje pico en condiciones de

polarización inversa.

Puente Rectificador

Puente rectificador

Figura 15. Puentes rectificadores integrados

Page 17: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

Filtros para Rectificadores

El voltaje de CC pulsante proporcionado por un rectificador, aunque

mantiene una polaridad única, no es adecuado para alimentar circuitos

electrónicos. Esto se debe a que su valor no se mantiene constante,

sino que varía periódicamente entre cero y el valor máximo de la onda

senoidal de entrada.

Para suavizar este voltaje y convertirlo en un voltaje de CC uniforme,

similar al de una batería, debe utilizarse un filtro. Este último es un

condensador electrolítico de muy alta capacidad.

Figura 16. Rectificador de media onda con filtro condensador

En la figura 16 se muestra como ejemplo un rectificador de media

onda con filtro condensador.

En la figura 17 se observa la forma de onda de voltaje de salida

obtenido.

El funcionamiento del circuito puede comprenderse fácilmente con

ayuda de los circuitos equivalentes de la figura 18.

Page 18: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

Figura 17. Formas de Onda del rectificador de Media onda con

filtro

Figura 18. Circuitos equivalentes del rectificado de media onda

con filtro. La carga siempre esta recibiendo corriente procedente

Page 19: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

del transformador (a) o del condensador filtro (b). El diodo D1

permanece bloqueado entre t1 y t3, ¿por qué?

Durante el primer cuarto de ciclo (t0-t1), el diodo conduce permitiendo

que el condensador C se cargue al valor pico (Vp) de la tensión

rectificada. Durante el resto del ciclo (t1-t3), el Diodo D1 queda

polarizado inversamente y por tanto deja de conducir, permitiendo que

le condensador se descargue lentamente a través de la carga,

actuando con una fuente temporal de voltaje.

A medida que el condensador se descarga, disminuye

progresivamente el voltaje entre sus terminales. Cuando la tensión de

entrada alcanza nuevamente el valor pico positivo, el diodo conduce

brevemente y recarga el condensador.

El proceso se repite indefinidamente. Como resultado, la tensión en la

carga es una tensión de CC casi ideal, excepto por una pequeña

variación periódica de amplitud ocasionada por la carga y la descarga

del condensador.

Esta variación se denomina rizado (ripple) y tiene la misma frecuencia

del voltaje del rectificado. Su amplitud pico a pico (Vrpp) está dada, en

forma aproximada, por la siguiente formula:

( )

Lrpp

IV

fC

Siendo IL la corriente de la carga (A), f la frecuencia de la señal de

rizado (Hz) y C la capacidad del condensador de filtro (F). La

frecuencia de rizado (f) es igual a la frecuencia de voltaje CA de

entrada para el caso de un rectificador de media onda y el doble de

este valor para el caso de uno de onda completa.

De este modo si la frecuencia de entrada es de 50 Hz, el rizado puede

ser de 50 Hz o de 100 Hz, dependiendo del esquema de rectificación

empleado.

Page 20: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

En general, entre más alta sea la frecuencia de rizado, más fácil es la

operación de filtrado.

Observe la figura 16 no tiene conectada una carga, el valor de la

corriente de carga (IL) es 0A, y por tanto la amplitud del rizado (Vrpp)

es 0V. Bajo estas condiciones, el voltaje de salida es constante e igual

al valor pico de la tensión de entrada 2L pV V .

Note también que cuando el diodo no conduce, el voltaje entre sus

terminales puede llegar a ser igual al doble del valor pico de entrada,

¿Por qué? Este dato es muy importante para el diseño de este tipo de

circuitos.

En la práctica, debe buscarse que la amplitud del rizado (Vrpp) sea lo

más pequeña posible ya que este voltaje alterno puede manifestarse

como un ruido en los amplificadores de audio, por ejemplo. Pare ello,

el valor del condensador de filtro (C) debe ser escogido de tal modo

que el producto RL C , llamado contante de tiempo del circuito, sea

mucho mayor que el periodo de la señal de entrada 1/T f , por lo

meno diez veces. De este modo se garantiza que el condensador solo

pierda una pequeña parte de su carga almacenada durante el tiempo

en el que el diodo D1 permanece cortado.

Ejemplo 4

En un rectificador de media onda, con filtro como el de la figura 16, el

voltaje de CA de entrada (V2) tiene un valor pico de 10V y una

frecuencia de 50 Hz. Si el circuito alimenta una carga de 20 , ¿Cuál

debe ser el valor mínimo del condensador filtro C para que la tensión

de rizado este por debajo de 0.5 Vpp? Asuma que la caída de voltaje

sobre el diodo, en condiciones de polarización directa es cero.

Solución

Inicialmente calculamos la corriente de la carga (IL). Puesto que

20LR y 10LV V (aproximadamente igual al valor pico de la tensión

de CA de entrada), entonces:

Page 21: Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

100.5

20

LL

L

V VI A

R

Conociendo la corriente de carga (IL=0.5A), el valor pico a pico del

voltaje de rizado (Vrpp=0.5V) y la frecuencia de este ultimo (f=50Hz),

podemos entonces calcular el valor mínimo del condensador de filtro

(C) así:

0.5

0.02( ) 50 0.5

20 20000

L Lrpp

rpp

I IV C F

fC f V

F mF uF

Por tanto se requiere como mínimo un condensador de filtro de

20000 F . Este último puede ser obtenido, por ejemplo conectando en

paralelo dos condensadores electrolíticos de 10000 F , 6 de 3300uF ,

10 de 2200uF , etc.

Puesto que el valor máximo de la tensión de salida es de 10V, el

voltaje nominal de este condensador puede ser de 16V o más.

Obsérvese que el producto (400 )RL C ms es mucho mayor que el

periodo del voltaje de entrada (20ms).