Circuitos Rectificadores: Fundamentos, Funcionamiento y Directrices de Diseño

Usualmente, los dispositivos electrónicos tienen circuitos rectificadores que permiten la conversión de CA a CC en sistemas de fuente de alimentación. El uso de este circuito está en dispositivos de baja potencia, como cargadores de batería, para rectificar el bajo voltaje producido en la rectificación.

Para entender el circuito rectificador, debemos aprender sobre el proceso de rectificación. La rectificación es responsable de cambiar los bits negativos de CA de la red de suministro en voltajes CC positivos. Al configurar tu sistema ideal, necesitas el rectificador adecuado. Por tanto, entender el rectificador y la configuración de diodos será importante para ti al configurar tu sistema.

1. ¿Qué es un Circuito Rectificador?

Un rectificador es un dispositivo eléctrico que convierte corriente alterna del voltaje de red en una corriente continua unidireccional. Funciona de la manera más simple cambiando el voltaje CA de la red eléctrica de las redes de potencia a voltaje CC. Lo más importante, muchos electrodomésticos en los que confiamos requieren CC.

El término rectificador es porque el dispositivo endereza el flujo direccional de corriente. El uso de filtros electrónicos para suavizar la salida del rectificador es una tendencia creciente. Consecuentemente, los rectificadores semiconductores de silicio modernos causaron la salida de rectificadores basados en selenio, rectificadores mecánicos, rectificadores de óxido de cobre y rectificadores de tubo de vacío.

Los rectificadores mecánicos y de tubo de vacío (usados en tubos de rayos catódicos) eran ineficientes debido a la alta resistencia interna. Sin embargo, los rectificadores de óxido de cobre y basados en selenio tienen mejor tolerancia momentánea de voltaje que SCR (Rectificador Controlado de Silicio). Es una gran ventaja sobre los diodos de silicio.

2. Tipos de Rectificadores

Rectificadores Monofásicos y Trifásicos

Tanto en rectificadores monofásicos como trifásicos, experimentan rectificación de media onda y rectificación de onda completa.

Los rectificadores monofásicos tienen una entrada de alimentación CA monofásica de 1 fase. Las estructuras son muy simples. Necesitan uno, dos o cuatro diodos (dependiendo del tipo de sistema).

Para CA monofásica, hay un factor de rizado alto generado. Esto es porque sus diodos se conectan al devanado secundario del transformador monofásico. Además, usa solo una fase del devanado secundario del transformador para la rectificación.

Por otro lado, en rectificadores trifásicos, las estructuras necesitan tres o seis diodos. Se produce voltaje de rizado reducido ya que todos los diodos se conectan a cada fase del devanado secundario del transformador. Además, crea un alto factor de utilización del transformador.

Ventajas del rectificador monofásico

• Adecuado para estructuras simples

Ventajas del rectificador trifásico

• Primero, es el más preferido al usar sistemas grandes
• Segundo, entrega grandes cantidades de potencia
• Además, no requiere componentes de filtro adicionales para reducir RF
• Es eficiente y tiene más TUF

Desventajas de los rectificadores monofásicos

• Para empezar, entrega una pequeña cantidad de potencia
• Además, tiene menor factor de utilización del transformador (TUF)

Rectificadores de Media Onda y Onda Completa

En la rectificación de media onda, el rectificador bloquea completamente la mitad de la señal de entrada pulsante. Luego, suministra solo una mitad en cada ciclo completo. Significa que la mitad de la fuente de alimentación CA se desperdicia.

La rectificación de media onda requiere un solo diodo en suministro monofásico o tres en suministro trifásico. El nivel promedio del voltaje rectificado es la mitad del nivel de voltaje de entrada. Sin embargo, el voltaje positivo tiene el mismo nivel de pico de voltaje de entrada CA que el voltaje de entrada.

Hay dos formas de diseñar un rectificador de media onda. Por ejemplo, en el primer modelo, la alimentación CA se vincula directamente con el terminal negativo de la salida. El siguiente diseño tiene la corriente alterna conectada directamente al terminal positivo de la salida.

Ventajas

• Primero, tiene una alta salida de voltaje
• Además, es barato ya que usa solo un diodo en la rectificación de potencia.

Finalmente, no requiere transformador de alimentación

Rectificador de Onda Completa

Este rectificador invierte la señal de entrada CA negativa perdida o bloqueada. Como resultado, mejora el valor promedio de la señal de salida. También duplica la frecuencia de la forma de onda de voltaje de entrada CA, una función que el rectificador de medio puente no puede realizar. Y, en la forma de onda producida, los picos de entrada y salida son iguales.

Dos métodos comúnmente usados en el diseño de rectificadores de onda completa son: transformador con toma central y circuito puente de diodos. También funciona como regulador activo, permitiendo que la mayoría del flujo de corriente vaya al circuito de carga.

Ventajas

• Primero y ante todo, tiene alta eficiencia de rectificación (81.2%)
• Segundo, tiene un RF (factor de rizado) más bajo (0.48)
• Además, tiene un TUF relativamente alto

Desventajas

• Primero, requiere un transformador para funcionar
• Desafortunadamente, sufre una resistencia interna bastante grande de la red de CA
• Por último, usa el doble de diodos que pueden ser costosos

Factor de Forma:

El factor de forma es la relación entre el valor RMS de la corriente y la corriente de salida CC.

Factor de Forma = Valor RMS de Corriente / Corriente de Salida CC

El factor de forma de un rectificador de onda completa es 1.11.

Rectificador Puente (Bridge Rectifier)

Un rectificador puente es un convertidor CA a CC que rectifica la entrada CA principal a salida CC. El circuito puente es un rectificador usado en fuentes de alimentación que suministran voltaje CC para dispositivos eléctricos y componentes electrónicos. Un rectificador puente simple normalmente emplea el uso de un resistor de carga. Como resultado, esto garantiza que la corriente que fluye a través de él sea igual a lo largo de ambos semiciclos negativo y positivo. El rectificador puente es una de las partes más comunes de las fuentes de alimentación electrónicas.

La disposición del rectificador puente tiene cuatro diodos adyacentes, también conocidos como puentes de diodos. El voltaje inverso pico es el voltaje más alto registrado desde el diodo cuando se conecta en polarización inversa en el semiciclo negativo. Durante el semiciclo positivo, dos diodos están en el punto de conducción. El par restante está en la posición de no conducción de la rectificación en puente. La salida del rectificador se registra a través del resistor de carga.

Ventajas del rectificador puente

• Primero, tiene una eficiencia de rectificación más alta (81.2%)
• Además, tiene voltaje de rizado reducido
• No se necesita transformador en la operación del rectificador puente
• Además, tiene alto TUF cuando se compara con un rectificador de toma central
• Finalmente, alcanza altas frecuencias usando filtrado simple

Desventajas

• Primero, tiene costos más altos de construcción del rectificador puente porque usa cuatro diodos
• Tiene voltaje de salida reducido debido a caídas de voltaje en el sistema
• De nuevo, las configuraciones del sistema son bastante complicadas
• Por último, experimenta gran resistencia interna cuando se opera con voltajes bajos.

El rectificador puente es bueno. En el primer ciclo CA, los diodos D2 y D4 están polarizados directamente, por tanto, conducen. El voltaje positivo está en el ánodo de D2, mientras que el terminal de cátodo de D4 tiene voltaje negativo. La primera mitad de la señal pasa a través de estos dos diodos. Durante la segunda mitad del ciclo, los diodos D1 y D3 están polarizados directamente, por tanto, conducen. El efecto general es que las dos mitades de la CA pueden pasar. Después, la mitad negativa se invierte y se vuelve positiva.

Rectificadores No Controlados y Controlados

Rectificadores No Controlados

El nombre rectificadores no controlados se refiere al tipo de rectificador que proporciona voltaje CC fijo para una alimentación CA particular. Los rectificadores no controlados solo usan diodos y pueden ser: de onda completa controlada o rectificador de media onda controlada. Sin embargo, son menos eficientes ya que los diodos solo pueden estar encendidos o apagados.

Rectificadores Controlados

Este circuito convierte alimentación CA a alimentación CC usando tiristores para controlar el suministro de potencia a la carga. El rectificador de media onda controlado consiste en un solo SCR (Rectificador Controlado de Silicio). Tienen el mismo diseño que los rectificadores no controlados, pero usan SCR en su lugar. Los rectificadores de media onda controlados limitan el desperdicio de potencia ya que ofrecen control de potencia constante.

3. Cómo Funcionan los Circuitos Rectificadores en Electrónica

Principio de Funcionamiento de los Circuitos Rectificadores

Los circuitos rectificadores funcionan simplemente convirtiendo la fuente de alimentación CA en una fuente de alimentación CC. Comprende diodos interconectados a través del sistema para crear un movimiento solo hacia adelante de electrones para alimentar dispositivos. Cuando la CA fluye a través de un circuito rectificador, los diodos eliminan las oscilaciones de voltaje negativo de la fuente CA. Por tanto, deja solo el voltaje positivo. Un diodo simple solo permite el flujo de corriente en una dirección, bloqueando el flujo de corriente en la dirección inversa.

Esta imagen representa una forma de onda de voltaje CA desde un diodo rectificador. La forma de onda de corriente tiene intervalos alternados entre aumentos cortos de voltaje así como períodos sin voltaje. Es una corriente continua ya que solo tiene voltaje positivo.

4. Precauciones para el Diseño del Circuito Rectificador

Hay precauciones que debes considerar al diseñar un circuito rectificador en cualquier dispositivo eléctrico. Para aclarar, discutimos las precauciones más importantes que afectarán la elección del diseño del rectificador.

Semiciclo Positivo

Durante el semiciclo positivo, el voltaje que aparece a través del ánodo y cátodo es positivo. Significa que el diodo está polarizado directamente. Asumiendo que el circuito se conecta a un diodo ideal y la potencia nominal es constante. El voltaje pico es Vm, referido como el valor de voltaje pico sin caídas de voltaje.

Sin embargo, deberíamos considerar la caída de voltaje en ciertos diodos como un diodo de silicio con 0.7V (caída de voltaje). Solo se polariza directamente cuando el voltaje de entrada aplicado excede el voltaje umbral (0.7V). Por tanto, el circuito comienza a conducir.

Voltaje pico = Vm − 0.7V (caída de voltaje)

Semiciclo Negativo

Es diferente con un semiciclo negativo ya que el voltaje que aparece a través del ánodo y cátodo es negativo. El diodo en el circuito rectificador se polariza inversamente, actuando como un interruptor abierto. Lleva a ningún flujo de corriente. Esto resulta en lectura de cero voltaje en la salida.

Además, en el semiciclo negativo, incluso considerando el diodo usado, el voltaje a través del diodo es negativo. Significa que la lectura en la salida seguirá siendo 0V.

Caídas de Voltaje:

El voltaje de red usualmente lleva mucha potencia. La pérdida parcial de potencial eléctrico de una corriente mientras se mueve a través de un circuito se llama caída de voltaje.

VD = (2 * L * R * I) / 1000

Calculando el Calor Disipado en el Rectificador:

Usualmente, este es el calor perdido en el proceso de rectificación como caídas de voltaje y resistencia ocurren dentro de los diodos. Por tanto, el conocimiento de caídas de voltaje de diodos específicos usados en el circuito es importante.

Pcalor (Pérdida de Potencia) = Pmáx (Potencia de salida máxima del sistema) / Eff (Eficiencia del módulo rectificador) − Pmáx (Potencia de salida máxima del sistema).

El Voltaje Inverso Pico:

PIV se refiere al voltaje máximo que un diodo puede soportar en polarización inversa. Por tanto, si se excede, los diodos pueden romperse. El voltaje inverso pico es igual al voltaje de entrada.

El voltaje inverso pico (PIV) = 2Vs máx = 2V_smax.

5. El Capacitor Suavizador (Smoothing Capacitor)

Un capacitor suavizador es un sistema que iguala las variaciones en el suministro de una señal. Se aplican principalmente después de un rectificador o voltaje de fuente de alimentación. Durante los semiciclos, se crean transiciones suaves cuando el capacitor carga y descarga. El proceso de carga ocurre cuando la corriente fluye a través de los semiciclos positivos.

Rectificador de Onda Completa con Capacitor Suavizador

El capacitor suavizador ayuda a mejorar el rizado de salida incompleto a través de los diodos. Así, el capacitor suavizador se conecta en paralelo a través de los diodos para mantener voltaje estable en el circuito de carga.

La colocación de la carga cae a través de la salida del rectificador de puente de onda completa. El capacitor entonces aumenta la salida CC. Como resultado, el capacitor suavizador convierte la salida rizada del rectificador en una salida CC más suave.

El voltaje de rizado es inversamente proporcional al valor del capacitor suavizador. Los dos valores están relacionados por

V_rizado = I_carga / (f × C)

Alternativamente, se puede usar un circuito integrado regulador de voltaje para una alimentación CC constante.

Capacitor Suavizador 5uF

La carga y capacitancia a través de un capacitor suavizador 5uF varían dependiendo de la conexión dentro del circuito. La capacitancia equivalente será la suma de todos los capacitores conectados en el circuito para un capacitor en conexión paralela.

Capacitor Suavizador 50uF

Del mismo modo, el mismo principio se aplica aquí para un capacitor suavizador 50uF. El voltaje en una conexión de circuito paralelo es el mismo para todos los capacitores. Sin embargo, el 50uF hace un capacitor suavizador más fuerte comparado con el capacitor 5uF.

6. Conclusión

Una amplia gama de dispositivos que usan circuitos rectificadores se han establecido en este artículo. Una aplicación es reguladores de voltaje, mientras que otro uso común incluye componentes de fuente de alimentación y detectores de modulación de amplitud (AMD) usados para señales de radio. El dispositivo también fue conocido una vez comúnmente como detector de cristal en receptores de radio tempranos.

Esperamos que este artículo responda todas tus preguntas sobre circuitos rectificadores. Siéntete libre de contactarnos para los componentes básicos de hacer tu circuito rectificador. Esperamos asistir en tus proyectos.