Circuitos rectificadores

¿Qué es la rectificación?

Ahora llegamos a la aplicación más popular del diodo: rectificación . Definido de manera simple, la rectificación es la conversión de corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Se trata de un dispositivo que solo permite el flujo unidireccional de carga eléctrica. Como hemos visto, esto es exactamente lo que hace un diodo semiconductor. El tipo más simple de circuito rectificador es el media onda rectificador. Solo permite que la mitad de una forma de onda de CA pase a la carga. (Figura siguiente)

Circuito rectificador de media onda.

Rectificación de media onda

Para la mayoría de las aplicaciones de energía, la rectificación de media onda es insuficiente para la tarea. El contenido armónico de la forma de onda de salida del rectificador es muy grande y, en consecuencia, difícil de filtrar. Además, la fuente de alimentación de CA solo suministra energía a la carga la mitad de cada ciclo completo, lo que significa que la mitad de su capacidad no se utiliza. Sin embargo, la rectificación de media onda es una forma muy sencilla de reducir la potencia a una carga resistiva. Algunos interruptores atenuadores de lámparas de dos posiciones aplican energía de CA completa al filamento de la lámpara para obtener un brillo "completo" y luego la rectificación de media onda para una salida de luz menor. (figura a continuación)

Aplicación de rectificador de media onda:atenuador de lámpara de dos niveles.

En la posición del interruptor "Dim", la lámpara incandescente recibe aproximadamente la mitad de la energía que normalmente recibiría al operar con CA de onda completa. Debido a que la potencia rectificada de media onda pulsa mucho más rápidamente de lo que el filamento tiene tiempo para calentarse y enfriarse, la lámpara no parpadea. En cambio, su filamento simplemente funciona a una temperatura menor que la normal, proporcionando menos salida de luz.

Este principio de "enviar" energía rápidamente a un dispositivo de carga de respuesta lenta para controlar la energía eléctrica que se le envía es común en el mundo de la electrónica industrial. Dado que el dispositivo de control (el diodo, en este caso) es totalmente conductor o no conductor en un momento dado, disipa poca energía térmica mientras controla la potencia de carga, lo que hace que este método de control de potencia sea muy eficiente energéticamente. Este circuito es quizás el método más tosco posible de enviar energía por impulsos a una carga, pero es suficiente como una aplicación de prueba de concepto.

Rectificadores de onda completa

Si necesitamos rectificar la alimentación de CA para obtener el uso completo de ambos semiciclos de la onda sinusoidal, se debe utilizar una configuración de circuito rectificador diferente. Este circuito se llama onda completa rectificador. Un tipo de rectificador de onda completa, llamado center-tap diseño, utiliza un transformador con un devanado secundario con toma central y dos diodos, como se muestra en la figura siguiente.

Rectificador de onda completa, diseño con toma central.

Medio ciclo positivo

El funcionamiento de este circuito se entiende fácilmente medio ciclo a la vez. Considere el primer medio ciclo, cuando la polaridad del voltaje de la fuente es positiva (+) en la parte superior y negativa (-) en la parte inferior. En este momento, solo está conduciendo el diodo superior; el diodo inferior bloquea la corriente y la carga "ve" la primera mitad de la onda sinusoidal, positiva en la parte superior y negativa en la parte inferior. Solo la mitad superior del devanado secundario del transformador transporta corriente durante este medio ciclo, como se muestra en la siguiente figura.

Rectificador de derivación central de onda completa:la mitad superior del devanado secundario conduce durante el semiciclo positivo de entrada, entregando semiciclo positivo a la carga.

Medio ciclo negativo

Durante el siguiente medio ciclo, la polaridad de CA se invierte. Ahora, el otro diodo y la otra mitad del devanado secundario del transformador transportan corriente mientras que las partes del circuito que antes transportaban corriente durante el último medio ciclo permanecen inactivas. La carga todavía "ve" la mitad de una onda sinusoidal, de la misma polaridad que antes:positiva en la parte superior y negativa en la parte inferior. (Figura siguiente)

Rectificador de derivación central de onda completa:durante el semiciclo de entrada negativa, la mitad inferior del devanado secundario conduce, entregando un semiciclo positivo a la carga.

Desventajas del diseño del rectificador de onda completa

Una desventaja de este diseño de rectificador de onda completa es la necesidad de un transformador con un devanado secundario con toma central. Si el circuito en cuestión es de alta potencia, el tamaño y el gasto de un transformador adecuado es significativo. En consecuencia, el diseño del rectificador de derivación central solo se ve en aplicaciones de baja potencia.

Otras configuraciones

La polaridad del rectificador con derivación central de onda completa en la carga se puede invertir cambiando la dirección de los diodos. Además, los diodos invertidos se pueden conectar en paralelo con un rectificador de salida positiva existente. El resultado es un rectificador de derivación central de onda completa de polaridad dual en la figura siguiente. Tenga en cuenta que la conectividad de los diodos en sí es la misma configuración que un puente.

Rectificador de derivación central de onda completa de polaridad dual

Rectificadores de puente de onda completa

Existe otro diseño de rectificador de onda completa más popular, y se basa en una configuración de puente de cuatro diodos. Por razones obvias, este diseño se denomina puente de onda completa . (Figura siguiente)

Puente rectificador de onda completa.

Las direcciones de corriente para el circuito rectificador de puente de onda completa son las que se muestran en la figura siguiente para semiciclo positivo y la figura siguiente para semiciclos negativos de la forma de onda de la fuente de CA. Tenga en cuenta que independientemente de la polaridad de la entrada, la corriente fluye en la misma dirección a través de la carga. Es decir, el semiciclo negativo de la fuente es un semiciclo positivo en la carga.

El flujo de corriente es a través de dos diodos en serie para ambas polaridades. Por tanto, se pierden dos caídas de diodo del voltaje de la fuente (0,7 · 2 =1,4 V para Si) en los diodos. Esta es una desventaja en comparación con un diseño de derivación central de onda completa. Esta desventaja es solo un problema en las fuentes de alimentación de muy bajo voltaje.

Rectificador de puente de onda completa:flujo de corriente para semiciclos positivos.

Rectificador de puente de onda completa:flujo de corriente para semiciclos negativos.

Diagrama de circuito del rectificador de puente de onda completa alternativo

Recordar la disposición adecuada de los diodos en un circuito rectificador de puente de onda completa a menudo puede resultar frustrante para el nuevo estudiante de electrónica. He descubierto que una representación alternativa de este circuito es más fácil de recordar y comprender. Es exactamente el mismo circuito, excepto que todos los diodos están dibujados en una actitud horizontal, todos "apuntando" en la misma dirección. (Figura siguiente)

Estilo de diseño alternativo para rectificador de puente de onda completa.

Versión polifásica con diseño alternativo

Una ventaja de recordar este diseño para un circuito rectificador de puente es que se expande fácilmente a una versión polifásica en la Figura siguiente.

Circuito rectificador de puente de onda completa trifásico.

Cada línea trifásica se conecta entre un par de diodos:uno para enrutar la energía al lado positivo (+) de la carga y el otro para enrutar la energía al lado negativo (-) de la carga.

Los sistemas polifásicos con más de tres fases se acomodan fácilmente en un esquema de puente rectificador. Tomemos, por ejemplo, el circuito rectificador de puente de seis fases de la figura siguiente.

Circuito rectificador de puente de onda completa de seis fases.

Cuando se rectifica la CA polifásica, los pulsos de fase desplazada se superponen entre sí para producir una salida de CC que es mucho más “suave” (tiene menos contenido de CA) que la producida por la rectificación de CA monofásica. Esta es una ventaja decidida en los circuitos rectificadores de alta potencia, donde el tamaño físico de los componentes de filtrado sería prohibitivo pero se debe obtener una potencia de CC de bajo ruido. El diagrama de la figura siguiente muestra la rectificación de onda completa de CA trifásica.

Salida de rectificador de onda completa trifásica CA y trifásica.

Voltaje de ondulación

En cualquier caso de rectificación, monofásica o polifásica, la cantidad de voltaje de CA mezclada con la salida de CC del rectificador se denomina voltaje de ondulación . En la mayoría de los casos, dado que el objetivo deseado es la CC "pura", el voltaje de ondulación no es deseable. Si los niveles de potencia no son demasiado altos, se pueden emplear redes de filtrado para reducir la cantidad de ondulación en el voltaje de salida.

Unidades de 1 pulso, 2 pulsos y 6 pulsos

A veces, se hace referencia al método de rectificación contando el número de salidas de "pulsos" de CC por cada 360 ^o de "rotación" eléctrica. Un circuito rectificador monofásico de media onda, entonces, se llamaría 1 pulso rectificador, porque produce un solo pulso durante el tiempo de un ciclo completo (360 ^o ) de la forma de onda de CA. Un rectificador monofásico de onda completa (independientemente del diseño, derivación central o puente) se llamaría 2 pulsos rectificador porque emite dos pulsos de CC durante el tiempo de un ciclo de CA. Un rectificador trifásico de onda completa se llamaría 6 pulsos unidad.

Fases del circuito del rectificador

La convención moderna de ingeniería eléctrica describe además la función de un circuito rectificador mediante el uso de una notación de tres campos de fases , formas y número de pulsos . Un circuito rectificador monofásico de media onda recibe la designación algo críptica de 1Ph1W1P (1 fase, 1 vía, 1 pulso), lo que significa que el voltaje de suministro de CA es monofásico, esa corriente en cada fase de las líneas de suministro de CA se mueve en una sola dirección (camino), y que hay un solo pulso de CC producido por cada 360 ^o de rotación eléctrica.

Un circuito rectificador de derivación central monofásico, de onda completa se designaría como 1Ph1W2P en este sistema de notación:1 fase, 1 vía o dirección de corriente en cada mitad del devanado y 2 pulsos o voltaje de salida por ciclo.

Un puente rectificador monofásico de onda completa se designaría como 1Ph2W2P:lo mismo que para el diseño de toma central, excepto la corriente, puede ir a ambos vías a través de las líneas de CA en lugar de solo una vía.

El circuito rectificador de puente trifásico mostrado anteriormente se llamaría rectificador 3Ph2W6P.

¿Es posible obtener más pulsos que el doble de fases en un circuito rectificador?

La respuesta a esta pregunta es sí:especialmente en circuitos polifásicos. Mediante el uso creativo de transformadores, los conjuntos de rectificadores de onda completa pueden conectarse en paralelo de tal manera que se produzcan más de seis pulsos de CC para tres fases de CA. A los 30 ^o El cambio de fase se introduce de primario a secundario de un transformador trifásico cuando las configuraciones de los devanados no son del mismo tipo.

En otras palabras, un transformador conectado ya sea Y-Δ o Δ-Y exhibirá este 30 ^o cambio de fase, mientras que un transformador conectado Y-Y o Δ-Δ no lo hará. Este fenómeno puede explotarse si un transformador conectado Y-Y alimenta un puente rectificador, y otro transformador conectado Y-Δ alimenta un segundo puente rectificador, luego en paralelo las salidas de CC de ambos rectificadores. (Figura siguiente)

Dado que las formas de onda de voltaje de ondulación de las salidas de los dos rectificadores están desfasadas 30 ^o entre sí, su superposición da como resultado menos ondulación que cualquiera de las salidas del rectificador consideradas por separado:12 pulsos por 360 ^o en lugar de solo seis:

Circuito rectificador polifásico:trifásico, 2 vías, 12 pulsos (3Ph2W12P)

REVISAR:

• Rectificación es la conversión de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC).
• Una media onda El rectificador es un circuito que permite que solo se aplique a la carga un medio ciclo de la forma de onda de voltaje de CA, lo que da como resultado una polaridad no alterna a través de él. El DC resultante entregado a la carga "pulsa" significativamente.
• Una onda completa El rectificador es un circuito que convierte ambos semiciclos de la forma de onda de voltaje de CA en una serie ininterrumpida de pulsos de voltaje de la misma polaridad. El CD resultante entregado a la carga no "pulsa" tanto.
• La corriente alterna polifásica, cuando se rectifica, proporciona una forma de onda de CC mucho más "suave" (menos ondulación voltaje) que CA monofásica rectificada.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de diodos rectificadores