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Circuito rectificador de media onda

 Como indica el título, en un rectificador de media onda solo alcanza la salida una mitad de la forma de onda de la entrada.


Esta mitad puede ser la positiva o la negativa, dependiendo del sentido en que se conecte el diodo. En caso de suministro eléctrico monofásico, la rectificación de media onda se puede llevar a cabo mediante un solo diodo.

 

En la Figura 1 se representa un circuito rectificador monofásico de media onda y las formas de onda de entrada y salida correspondientes. La forma de onda de la corriente rectificada de salida es la de una corriente continua pulsatoria, con una frecuencia de pulso igual a la de la corriente alterna de alimentación.

 

Figura 1.-Rectificador de media onda

 

 

Figura 1.-Rectificador de media onda

 

El funcionamiento del circuito es el siguiente:

 

Si suponemos que durante el primer semiciclo de la corriente alterna, la polaridad en el ánodo de D es negativa, el diodo se comporta como un circuito abierto (polarización inversa), la corriente entonces es cero y no aparece tensión en la resistencia de carga R.

Durante el segundo semiciclo la polaridad del ánodo es positiva y el diodo permite el paso de la corriente como si fuera un corto circuito (polarización directa). Así la resistencia de carga está conectada directamente a la fuente y sobre sus terminales aparece una tensión igual a la de la fuente de C.A.

 Filtrado

Como se puede apreciar en las Figuras 1, 2 y 3 la corriente contínua obtenida en la salida de los rectificadores es pulsatoria, lo que la inutilizaría para la mayoría de las aplicaciones electrónicas.

 

Para evitar este inconveniente se procede a un filtrado para eliminar el rizado de la señal pulsante rectificada. Esto se realiza mediante filtros RC (resistencia-capacidad) o LC (inductancia-capacidad), obteniéndose finalmente a la salida una corriente continua constante (o con rizado atenuado).

 

El circuito es el mismo que el empleado en la rectificación añadiendo un condensador, por lo que al igual que existen rectificadores de media onda y de onda completa existen filtros de condensador de media y onda completa.

Filtro de media onda. Diodo y resistencia (carga) con condensador en paralelo.

RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

 

Considerando para una media onda ideal tenemos que:

 

·        Tensión de salida pico es igual a la entrada pico.

Vp(out) = Vp(in)

 

·        Para el valor de media onda tenemos:

Vcd = (1/p)(Vp)

Vcd = 0.318(Vp)

 

Este valor equivale al 31.8% de la onda, es decir, si una señal de media onda vale 100v la tensión la tensión media vale 31.8v

 

·      La frecuencia de entrada es la misma que la de salida.

f(out) = f(in)

 

Considerando su voltaje de operación del diodo tiene esta segunda aproximación:

Vp(out) = Vp(in) – 0.7V

 

PROBLEMA

 

Calcule los valores teóricos de la tensión pico en la carga y la tensión continua en la carga.

Ver fig. 1

 

Tenemos 10v(rms) entonces:

V(rms) = 0.707Vp

 

Despejando la ecuación queda:

V= V(rms)/0.707Vp = 10/0.707

Vp = 14.1v

 

Este valor corresponde a un diodo ideal, por lo tanto:

Vp(out) = Vp(in) =14.1v

 

La tensión en la carga es:

Vcd = (Vp)/p = 14.1/p

Vcd = 4.49v

 

Tomando en cuenta el voltaje de operación del diodo obtenemos:

Vp(out) = Vp(in) – 0.7V = 14.1 – 0.7

Vp = 13.4v

 

Por lo tanto la tensión continua de carga queda:

Vcd = (Vp)/p = 13.4/p

Vcd = 4.27v

 

  


                                                                  Vcd 

                                       Vp

 

RECTIFICADOR CON RESISTENCIA

 

El efecto de colocar una resistencia en serie con la carga, el resultado neto es tan solo reducir las pulsaciones de c-c.

 

 

 

 

 

RECTIFICADOR CON CAPACITOR

 

En la figura se muestra un capacitor grande en la salida del rectificador, si la resistencia es grande solo permitirá una pequeña cantidad de corriente por lo tanto, la carga que aplica sobre el rectificador es ligera. El pulso del rectificador, el voltaje a través del capacitor se eleva con rapidez, sin embargo cuando cae la caída del rectificador, el voltaje del capacitor no cae a cero, en su lugar la carga del capacitor se descarga a través de la carga.

 

Si la carga es ligera entre las pulsaciones, el voltaje aplicado tiende a ser bastante constante, sin embargo la carga es fuerte, la cantidad entre los impulsos es mayor y la amplitud del voltaje aplicado varia mucho, en este caso no es recomendable usar un capacitor.

  

 

 

 

 

 RECTIFICADOR CON INDUCTANCIA

 

Ahora consideremos la acción de un inductor grande en serie a la salida del rectificador, sabemos que cuando fluye una corriente a través de un inductor, la inductancia resiste cualquier cambio de la corriente y así tiende a evitar que la corriente se eleve o disminuya.

 

A causa de la resistencia ohmica del inductor, se reducen las amplitudes de las pulsaciones, sin embargo la acción filtrante es ligera.

  

 

 

 

 

 RECTIFICADOR POR ENTRADA DE CAPACITOR E INDUCTIVO

 

Estos filtros se usan para hacer más lineal la onda después de la rectificación.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Principio de funcionamiento

 

Imaginemos, para simplificar el análisis, que el diodo es ideal, es decir, conduce polarizado en directa y no conduce polarizado en inversa e inicialmente el condensador está descargado.

 

Señal de entrada alterna sinusoidal y de salida continua constante

 


Supongamos que la tensión de entrada es sinusoidal. Al principio, por ser ésta positiva polariza el diodo en directa y éste conduce, de modo que la tensión en el condensador vo es igual a la de entrada (vo = vi).

 

Cuando se alcanza el máximo de tensión (VM) el condensador ha completado su carga y a partir de entonces la señal de entrada comienza a disminuir. Al ocurrir ésto el condensador intenta descargarse a través del diodo pero como la polarización es inversa no conduce; el condensador no puede entonces descargarse quedando entre sus bornes una diferencia de potencial vo = VM que se mantendrá permanentemente cualquiera que sea la tensión de entrada.

 

En definitiva, la tensión sinusoidal de entrada, corriente alterna, se ha convertido en corriente continua.

 

Si por cualquier circunstancia la señal de entrada alcanzara un nuevo máximo V'M > VM, el condensador simplemente se cargaría hasta esa tensión quedando luego una corriente continua de valor V'M.

 

Filtro de media onda. Diodo y resistencia (carga) con condensador en paralelo.

 

Filtro de media onda

 

En un circuito real el propósito de la conversión es alimentar algún dispositivo de corriente continua, por lo que en paralelo con el condensador existirá una carga representada por la resistencia RL.

En este caso el condensador puede, a partir del máximo de la tensión de entrada y con el diodo en inversa descargarse a través de la carga.

 

Señal de entrada sinusoidal y salida continua triangular

 

A medida que el condensador se va descargando la tensión de entrada va disminuyendo hasta alcanzar el mínimo para posteriormente aumentar; evidentemente siendo la entrada creciente y la tensión en el condensador decreciente llega un punto en el que ambos valores coinciden, momento en el que el diodo se polariza en directa y el condensador comienza a recargarse hasta el siguiente máximo de la tensión de entrada.

 

La tensión en la carga no es ahora uniforme o constante, como sucedía en el caso anterior, sino aproximadamente triangular. En la práctica interesa que la tensión sea lo más uniforme posible para lo cual el producto RLC deberá ser grande (condensadores de alta capacidad); situación en la que los tramos ascendente y descendente de la tensión de salida pueden, con suficiente aproximación, sustituirse por líneas rectas.

 

Análisis del circuito

 

Como sabemos (leyes de Kirchoff), la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo (iD) cuando conduce se reparte luego entre resistencia (iL) y condensador (iC), es decir:

iD = iL + iC

 

Intensidades de corriente a través de diodo, carga (resistencia) y condensador.

 

Siendo vi = VM sen (ωt) la tensión de entrada —ω = 2πf / f: frecuencia de la corriente alterna— y sabiendo que es coincidente con la de la carga y el condensador (vo) cuando el diodo conduce, las intensidades que atraviesan resistencia y condensador serán respectivamente:

 

i_L = {v_o \over R_L} = {V_M \over R_L} \mbox{sen} (\omega t)

i_C = C {dv_o \over dt} = C \omega V_M \mbox{cos} (\omega t)

Y por tanto:

i_D = {V_M \over R_L} \mbox{sen} (\omega t) + C \omega V_M \mbox{cos} (\omega t)

 

Cuando la intensidad iD se hace cero, el diodo deja de conducir. Esta condición se manifiesta en el instante t2 tal que:

 

tg(ωt2) = − CωRL

 

donde el signo negativo expresa que tal condición se da una vez superado el máximo de la tensión de entrada (T/4). En la práctica la diferencia es tan pequeña que se puede despreciar y admitir que el diodo comienza a conducir alcanzado el máximo de la tensión de entrada.

 

Aplicaciones

 

Este circuito puede usarse, en fuentes de alimentación para lograr transformar la tensión alterna de la entrada en contínua a la salida. Normalmente forma parte de cicuitos de potencia más complicados como son los conversores de potencia. En estos casos en valor del condensador debe ser alto.

 

Ajustando el valor del condensador para que tenga un mayor margen de variación puede utilizarse este circuito para la demodulación de señales AM, el resultado es una señal parecida a la envolvente de la señal modulada. Para esta aplicación el valor del condensador es mucho menor que en la anterior y dependiente del índice de modulación.

 

Análisis del circuito (diodo ideal)

 

Los diodos ideales, permiten el paso de toda la corriente en una única dirección, la correspondiente a la polarización directa, y no conducen cuando se polarizan inversamente.

 

Polarización directa (Vi > 0)

 

Imagen:Circuito_rectificador_media_onda_ON.png

 

En este caso, el diodo permite el paso de la corriente sin restricción. Los voltajes de salida y entrada son iguales y la intensidad de la corriente puede fácilmente calcularse mediante la ley de Ohm:

Vo = Vi

I = Vi/RL

 

 

Polarización inversa (Vi < 0)

Imagen:Circuito_rectificador_media_onda_OFF.png

En este caso, el diodo no conduce, quedando el circuito abierto. La tensión de salida es nula, al igual que la intensidad de la corriente:

Vo = 0

I = 0

 

Tensión rectificada

 

El resultado es que en la carga se ha eliminado la parte negativa de la señal de entrada.

 

Imagen:tensión sinusoidal.png

  →  

Imagen:Curva_transferencia_rectificador_media_onda.png

  →  

Imagen:tensión_rectificada_media_onda.png

 

 

Rectificador de onda completa

 

Este tipo de rectificador necesita un transformador con derivación central. La derivación central es una conexión adicional en el bobinado secundario del transformador, que divide la tensión (voltaje) en este bobinado en dos voltajes iguales . Esta conexión adicional se pone a tierra.

 

Electrónica Unicrom - Rectificador de onda completa con transformador de derivación central

 

Durante el semiciclo positivo (ver Vin color rojo) el diodo D1 conduce. La corriente pasa por la parte superior del secundario del transformador, por el diodo D1 por RL y termina en tierra. El diodo D2 no conduce pues está polarizado en inversa

Durante el semiciclo negativo (ver Vin color azul) el diodo D2 conduce. La corriente pasa por la parte inferior del secundario del transformador, por el diodo D2 por RL y termina en tierra. El diodo D1 no conduce pues está polarizador en inversa.

Ambos ciclos del voltaje de entrada son aprovechados y el voltaje de salida se verá como en el siguiente gráfico

 

Electrónica Unicrom - Salida rectificador de onda completa

 

Rectificadores de Onda Completa en disposición puente.

 

En el siguiente circuito, el puente de diodos consigue que durante el semiciclo negativo también alimente la red a la carga.

 

 

 Figura 3 Rectificador de onda completa.

 

Dado un valor positivo de la tensión de entrada, vi=V>0. El punto A está sometido al mayor potencial del circuito, V, mientras que D se encuentra a potencial nulo, el menor en ese instante. Por lo tanto, los puntos B y C se encontrarán a un potencial intermedio entre 0 y V voltios. Un circuito que está alimentado entre 0 y 10V, por ejemplo, no tiene sentido que haya un punto del mismo que tenga un potencial mayor que 10V con respecto a la referencia, ya que la tensión sólo puede disminuir entre los nodos de los componentes del circuito (esto es válido sólo para el régimen permanente).

 

Suponiendo que hay una corriente intentando circular. Como VA es mayor que VC el diodo D2 esta en condiciones de conducir, mientras que D1 está en corte. La corriente circular de a C. D4 está en corte, puesto que VDC=VD-VC<0, por lo tanto la intensidad atraviesa RL de arriba a abajo. El retorno de corriente será por D3, puesto que VB<VA y VB>VD.

Así pues, D1 y D4 no conducen en el semiciclo positivo de vi. El esquema equivalente sería:

 

 

Figura 4: Rectificador de onda completa durante los semiciclos positivos.

 

Mediante un razonamiento análogo se consigue determinar el esquema equivalente mostrado en la Figura 5.

 

 

Figura 5: Rectificador de onda completa durante los semiciclos negativos.

 

 

 

 

Figura 6: Tensiones en el rectificador de onda completa.

 

En ambos casos, la corriente que circula por RL circula en el mismo sentido, luego la caída de tensión en RL siempre es del mismo signo:

Si ahora se filtrase esta señal mediante un condensador, mejoraría su rizado. El condensador necesario es de menor capacidad que en el esquema anterior, puesto que debe alimentar durante menos tiempo a la carga.

 

Fig. 7 - Rectificador en puente con capacitor de filtro de 2200mF

 

Fig 8 - Rectificador con capacitor de filtro de 6800 mF

 

 

 

Fig. 9 - Rectificador de onda completa con transformador con punto medio

 

 

En la Fig. 9 se ha planteado el circuito de un rectificador de onda completa con transformador con punto medio. Este rectificador contiene un condensador de filtro de 20000 mF y está alimentando una carga conformada con un resistor de 12 W. Observe que para obtener un nivel de tensión de corriente continua de 12 v sobre la carga, la tensión de corriente alternada entregada por cada rama del transformador es de 9,24 v.

 

En la Fig. 10 se ha planteado el circuito de un rectificador de onda completa en configuración puente. Este rectificador contiene un condensador de filtro de 20000 mF y está alimentando una carga conformada con un resistor de 12 W. Observe que para obtener un nivel de tensión de corriente continua de 12 v sobre la carga, la tensión de corriente alternada entregada por el secundario del transformador es de 9,90 v.


 

 

Fig. 10 - Rectificador de onda completa en configuración puente

 

 

Rectificador de onda completa

 

el esquema anterior produce una onda de salida bastante aceptable, cuando el condensador es lo suficientemente grande como para alimentar la carga durante un semiciclo aproximadamente. Sin embargo, se desaprovecha medio ciclo de la red, con lo que la potencia transmitida a la carga se limita.

 

Tensión rectificada.

 

El resultado es que en la carga se ha eliminado la parte negativa de la señal de entrada transformándola en positiva. La tensión máxima en el circuito de salida es, para igual tensión del secundario del trasformador:

 

Vo = Vi = Vs/2 en el rectificador con dos diodos.

Vo = Vi = Vs en el rectificador con puente de Graetz.

 

 

 

La tensión de rizado

 

Electrónica Unicrom - Rectificador de onda completa con transformador de derivación central y filtro por condensador

 

Si a RL se le pone en paralelo un condensador, el voltaje de salida se verá como en la siguiente figura (línea negra).

A la variación del voltaje ( Dv ) en los terminales del condensador debido a la descarga de este en la resistencia de carga se le llama tensión de rizado. La magnitud de este rizado dependerá del valor de la resistencia de carga y al valor del capacitor.

Si se comparar este diagrama con su correspondiente de rectificación de 1/2 onda, se puede ver que este circuito tiene un rizado de mayor frecuencia (el doble), pero es menor.

 

Electrónica Unicrom - Salida rectificador de onda completa con filtro por capacitor

 

En cada semiciclo el transformador entrega corriente (a través de los diodos D1 y D2) al condensador C y a la resistencia RL, Esto sucede mientras las ondas aumentan su valor hasta llegar a su valor pico (valor máximo), pero cuando este valor desciende es el condensador el que entrega la corriente a la carga (se descarga).

Si el capacitor es grande significa menos rizado, pero aún cumpliéndose esta condición el rizado podría ser grande si la resistencia de carga es muy pequeña (corriente en la carga es grande)


Nota: Hay que tomar en cuenta que el voltaje máximo que se podrá obtener dependerá del voltaje que haya entre uno de los terminales del secundario del transformador y el terminal de la derivación central

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 Ejemplo:

 

Se tiene el circuito mostrado en la figura, determine los valores Pico de entrada y de salida del mismo:

 

 

 

 

 

 

 

 

  


 

Vp(1)= 120/sen45° = 170v

Vp(2)=(170*1)/10= 17v

Vp(out)=17v de manera ideal (primera aproximación)

Vp(out)=17-1.4=15.6 considerando la caída por los diodos (segunda aproximación)

 

TRABAJO ENVIADO POR:

DÍAZ GANDARA J. FERNANDO
GUERRERO HERNÁNDEZ M. DAVID
NAVARRO BECERRA L. DAVID
TÉLLEZ LAGUNA ABRAHAM