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 pulsante,, el cual tiene una polaridad única.
Figura 1.
Aspecto físico (a) y símbolo (b) de un diodo
rectificador Este proceso, denominado rectificación rectificación,, es posible gracias a la utilización de unos componentes electrónicos electrónicos llamados diodos 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 rectificad or (media onda)
Esta característica los hace adecuados adecuados para convertir corriente alterna bidireccional en corriente continua unidireccional figura 2. Un diodo diodo permite 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 directamente y en el segundo que lo esta inversamente inversamente.. Un diodo polarizado directamente
se comporta como un interruptor cerrado y uno polarizado inversamente como un interruptor abierto. En el primer caso, la inversamente 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, 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 I L
V cc R L
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
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)
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: Vcc
V p
0.318V p
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.
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: V P
2Vrms
1.4142 15V
21.21V
Por tanto idealmente, el valor medio del voltaje de salida medido por el voltímetro es: Vcc ideal
V p
0.318 21.21V 6.75V
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: Vcc (real ) Vcc (ideal) Vd
6.75V 0.7V 6.05V
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?
Solución El valor medio del voltaje de CC sobre la carga (VL) es simplemente: V L
I L RL
1A 10 10V
Este valor debe ser igual al valor medio ideal de la tensión secundaria rectificada (0.318Vp) menos la caída de voltaje en el diodo ( Vd 0.45V ) Por tanto: 0.318V p
VL Vd 10.45V
Siendo V p el valor pico de la tensión de salida del secundario. Por tanto: V p
10.45V 0.318
32.86V
Y Vrms
V p 2
23.3V
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.
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.
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 V 2a y V 2b son idénticas, pero están desfasadas 180°.
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
proporcionara una lectura (Vcc) igual al valor medio de la tensión de salida. Para una señal de onda completa, este valor dado por: Vcc
2V p
0636V p
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.
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.
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: Vcc
2V p
0.636V p
Siendo V p el valor pico de la tensión de CA de salida del secundario. En la práctica, el valor obtenido es ligeramente menor, debido a las
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?
Solución Inicialmente calculamos los valores rms y pico requeridos para el voltaje de salida del secundario (V2): V 1 V 2
20
V2
V 1 20
220 20
V 2 p 2V2
11V (rms )
1.4142 11 15.6V
Por tanto, ignoramos las caídas de voltaje en los diodos, el valor medio del voltaje de salida es: Vcc
0.636V 2 p 0.636 15.6 9.90V
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 9.90V 1.4V 8.5V 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.
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
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.
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
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: V rpp
I L ( fC )
Siendo IL la corriente de la carga (A), f la frecuencia de la señal rizado (Hz) y C la capacidad del condensador de filtro (F). frecuencia de rizado (f) es igual a la frecuencia de voltaje CA entrada para el caso de un rectificador de media onda y el doble este valor para el caso de uno de onda completa.
de La de de
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.
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 V L
V 2 p
.
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 T 1 / 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 R L 20 y V L 10V (aproximadamente igual al valor pico de la tensión de CA de entrada), entonces:
I L
V L
R L
10V 20
0.5 A
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: Vrpp F
I L ( fC )
C
I L f
V rpp
0.5
50 0.5
0.02 F
20mF 20000uF
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 RL C (400ms) es mucho mayor que el periodo del voltaje de entrada (20ms).
