3.2: Rectificación

La rectificación es el proceso de convertir una forma de onda de corriente alterna en una forma de onda de corriente continua, es decir, crear una nueva señal que tiene una sola polaridad. En este sentido recuerda a la definición común de la palabra, por ejemplo donde “rectificar la situación” significa “aclarar algo”. Antes de continuar, recuerde que una tensión o corriente de CC no tiene que exhibir un valor constante (como una batería). Todo lo que significa es que la polaridad de la señal nunca cambia. Para distinguir entre un valor de CC fijo y uno que varía en amplitud de manera regular, a este último se le conoce a veces como CC pulsante.

El concepto de rectificación es crucial para el funcionamiento de los circuitos electrónicos modernos. La mayoría de los dispositivos electrónicos, como un televisor o una computadora, requieren un voltaje de CC fijo e invariable para alimentar sus circuitos internos. En contraste, la distribución de energía residencial y comercial es normalmente CA. En consecuencia, se requiere alguna forma de conversión de CA a CC ¹. Aquí es donde entra la asimetría del diodo.

3.2.1: Rectificación de media onda

Para entender el funcionamiento de un solo diodo en un circuito de CA, considere el diagrama de la Figura\(\PageIndex{1}\). Se trata de un bucle serie simple que consiste en una fuente de onda sinusoidal, un diodo y una resistencia que sirve como carga. Es decir, principalmente nos interesará el voltaje desarrollado a través de la resistencia.

Figura\(\PageIndex{1}\): Circuito básico de diodo-resistencia de CA.

Para porciones positivas de la onda de entrada, el diodo estará polarizado hacia adelante. A una primera aproximación aparecerá como un interruptor cerrado. En consecuencia, toda la señal de entrada caerá a través de la resistencia. Por el contrario, cuando la señal de entrada cambia a una polaridad negativa en la otra mitad de la forma de onda, el diodo tendrá polarización inversa. Por lo tanto, el diodo actúa como un interruptor abierto. La corriente circulante cae a cero, por lo que no produce voltaje a través de la resistencia. Todo el potencial aplicado cae a través del diodo, como lo indica la ley de voltaje (KVL) de Kirchhoff. Las formas de onda de voltaje de la resistencia de entrada y carga se pueden ver en la Figura\(\PageIndex{2}\).

Figura\(\PageIndex{2}\): Formas de onda de rectificación de media onda.

La señal resultante vista a través de la resistencia de carga es una forma de onda de CC pulsante. Hemos eliminado efectivamente la mitad negativa de la forma de onda dejando solo la porción positiva. Debido a que solo la mitad de la forma de onda de entrada llega a la carga, esto se conoce como rectificación de media onda.

Vale la pena señalar que si el voltaje de entrada pico de CA no es particularmente grande, puede haber una discrepancia obvia entre los niveles máximos de las señales de entrada y carga. Por ejemplo, si el voltaje de entrada pico está en el rango de tres o cuatro voltios y se usa un diodo de silicio, las formas de onda resultantes se parecerían más a la Figura\(\PageIndex{3}\).

Figura\(\PageIndex{3}\): Formas de onda de rectificación de media onda incluyendo caída de diodo directo.

En este caso no se puede ignorar la caída directa de 0.7 voltios ya que representa un porcentaje considerable del pico de entrada. Los pulsos positivos también se estrechan ligeramente ya que la corriente no comenzará a fluir a niveles razonables hasta que el voltaje de entrada alcance 0.6 a 0.7 voltios.

Si el diodo estuviera orientado en reversa, bloquearía la porción positiva de la entrada y permitiría solo la porción negativa a través. En este caso la forma de onda de carga aparecería volteada de arriba a abajo en comparación con las Figuras\(\PageIndex{2}\) y\(\PageIndex{3}\).

Simulación por Computadora

En la Figura se muestra un esquema de simulación para un rectificador simple de media onda\(\PageIndex{4}\). Una fuente de onda sinusoidal de pico de 10 voltios se utiliza para alimentar un popular diodo rectificador de la serie 1N4000 conectado a una\(\Omega\) carga de 100. La frecuencia de la fuente es de 60 hercios, el estándar norteamericano para la distribución de energía.

Se realiza un análisis transitorio dando como resultado las formas de onda mostradas en la Figura\(\PageIndex{5}\). La forma de onda de voltaje fuente se muestra en rojo mientras que la forma de onda de voltaje de carga se representa en azul. Si bien la rectificación de media onda es obvia, la pérdida debida a la caída de voltaje directo del diodo es claramente evidente. Con base en la escala vertical, un valor poco menos de un voltio sería una estimación razonable. La simulación concuerda muy bien con el resultado esperado como se dibuja en la Figura\(\PageIndex{3}\), aunque no tan extremo debido al aumento del voltaje de la fuente.

Figura\(\PageIndex{4}\): Esquema de simulación para rectificador de media onda.

Figura\(\PageIndex{5}\): Análisis transitorio para rectificador de media onda.

En una nota práctica, todavía hay dos elementos a considerar a la hora de convertir CA a CC. El primer elemento es el problema de escalar el voltaje de salida RMS de 120 VCA a un nivel más útil. En muchos casos esto significa bajar el voltaje aunque existen algunas aplicaciones como amplificadores de alta potencia donde será necesario aumentar el voltaje. El segundo elemento consiste en suavizar la CC pulsante para producir un valor constante, al igual que una batería.

3.2.2: Una nota con respecto a los transformadores

El problema de escalado de voltaje mencionado anteriormente se puede abordar mediante el uso de un transformador. Si bien una exploración completa de los transformadores está más allá del alcance de este capítulo, podemos presentar los conceptos básicos. En términos simples, un transformador tiene un lado de entrada, o primario, y un lado de salida, o secundario. Cada lado está formado por una bobina de alambre y estas bobinas están enrolladas alrededor de un núcleo magnético común. La corriente en la bobina del lado primario crea un flujo magnético en el núcleo. Este flujo induce una corriente en la bobina secundaria. Idealmente, el voltaje se disminuye y la corriente se incrementa por la relación del número de bucles entre estas bobinas. Por ejemplo, si la bobina del lado secundario tiene la mitad de vueltas que la bobina del lado primario, entonces la tensión secundaria será la mitad de la tensión primaria y su corriente será el doble de grande que la corriente primaria. Esto implica que en el caso ideal no hay pérdida de energía dentro del transformador. Simplemente transforma la potencia de alta tensión/baja corriente a baja tensión/alta corriente (o viceversa), de ahí el nombre. En realidad, los transformadores tienen límites de voltaje y corriente, y se especifican en términos de un volt-amp o VA que es simplemente el producto de la tensión secundaria nominal y la corriente secundaria máxima permitida. Los transformadores que disminuyen el voltaje se denominan reductores, mientras que los que aumentan el voltaje se denominan elevadores. Finalmente, es posible crear transformadores con múltiples primarios y secundarios (ya sea a través de bobinas separadas o bobinas de múltiples tomas). Las configuraciones resultantes de bobinas en serie y paralelas las hacen mucho más flexibles.

3.2.3: Suavizar (filtrar) la salida

El segundo problema que tenemos es suavizar y nivelar el DC pulsante. El método más sencillo para lograr esto es agregar un condensador en paralelo con la carga. El condensador se cargará durante la fase de conducción, almacenando así energía. Cuando el diodo se apaga, el condensador comenzará a descargarse, transfiriendo así su energía almacenada a la carga. Cuanto mayor sea el condensador, mayor será su capacidad de almacenamiento y más suave será el voltaje de carga. Resulta que hay un lado negativo a los condensadores grandes, como veremos. En consecuencia, el objetivo no será usar un condensador lo más grande posible sino usar un tamaño óptimo para una aplicación dada. Un rectificador de media onda con transformador y condensador se muestra en la Figura\(\PageIndex{6}\).

Figura\(\PageIndex{6}\): Rectificador de media onda con transformador y condensador de filtro.

Una forma de ver la inclusión del condensador de alisado es considerar que éste, junto con la resistencia de carga, conforman una red de\(RC\) descarga. Para lograr un voltaje de carga suave, la constante de tiempo de descarga debe ser mucho más larga que la brecha producida cuando el diodo se apaga. Para la operación de 60 hercios, esta brecha es la mitad del período, o aproximadamente 8.3 milisegundos. La ecuación de la constante de tiempo es

\[\tau = RC \nonumber \]

Recordando que en una constante de tiempo el voltaje del condensador caerá muy por debajo de la mitad del valor inicial (aproximadamente 37%), necesitaremos una constante de tiempo varias veces mayor que 8.3 milisegundos. Por ejemplo, supongamos que nuestra resistencia efectiva a la carga es de 100\(\Omega\). Si usamos un condensador de 1000\(\mu\) F, la constante de tiempo resultante sería de 100 milisegundos, o más de diez veces la duración del espacio. Un condensador mucho más pequeño, digamos alrededor de 50\(\mu\) F, no sería tan efectivo para mantener constante el voltaje.

La variación en el voltaje de salida debido a la descarga del condensador se conoce como ondulación. Se puede modelar como un voltaje de CA montado en una salida de CC más grande. La magnitud de la ondulación empeora a medida que aumenta la corriente de carga. Bajo condiciones de carga ligera, la salida tenderá a flotar al voltaje pico del secundario con muy poca ondulación. A medida que aumenta la demanda de corriente de carga, la magnitud de ondulación aumenta y el voltaje de salida nominal comienza a caer.

Simulación por Computadora

A continuación se simulan dos variaciones en un rectificador de media onda filtrada. Ambas versiones utilizan una\(\Omega\) carga de 100 con una fuente de 10 voltios, similar a la simulación anterior. La primera versión utiliza un condensador de filtro de 50\(\mu\) F mientras que la segunda sube esto a 1000\(\mu\) F. En ambos casos se agrega una\(\Omega\) resistencia 1 en serie con el condensador para que sirva como sensor de corriente. La primera versión se muestra en la Figura\(\PageIndex{7}\).

Figura\(\PageIndex{7}\): Esquema de simulación para rectificador de media onda con condensador de filtro de 50\(\mu\) F.

En la Figura se muestra un gráfico de simulación de análisis transitorio\(\PageIndex{8}\). La forma de onda de entrada es de color azul mientras que el voltaje de carga es rojo. Al comparar esta forma de onda con la representada en la Figura se\(\PageIndex{5}\) muestra el efecto del condensador estirando el pulso y llenando parcialmente el hueco. Es obvio que este condensador es demasiado pequeño dada la resistencia de carga y la demanda de corriente resultante. De hecho, para cuando llega el siguiente pulso, el condensador está casi agotado y el voltaje de salida ha caído a alrededor de un voltio.

Figura\(\PageIndex{8}\): Simulación de análisis transitorio para rectificador de media onda usando un condensador de filtro de 50\(\mu\) F.

En\(\PageIndex{9}\) la Figura se vuelve a ejecutar la simulación, pero esta vez usando un condensador de 1000\(\mu\) F en lugar de los 50\(\mu\) F. Como se esperaba, el aumento de la constante de\(RC\) tiempo da como resultado un voltaje de carga mucho más estable. En esta versión la salida ha bajado de poco más de nueve voltios a aproximadamente ocho voltios produciendo una ondulación pico a pico de un voltio y medio más o menos. El voltaje pico de poco más de nueve voltios frente a los diez voltios aplicados se debe en gran parte a la caída de voltaje a través del diodo rectificador.

Figura\(\PageIndex{9}\): Simulación de análisis transitorio para rectificador de media onda usando un condensador de filtro de 1000\(\mu\) F.

Una cosa que puede no ser evidente de inmediato es que el tiempo de carga para el condensador más grande es mucho más corto que para la unidad más pequeña. Esto es quizás contraintuitivo. Con un condensador más grande, el diodo se enciende por un tiempo más corto porque su cátodo se mantiene a un alto voltaje debido al condensador. Es decir, solo se encenderá cuando el voltaje de entrada exceda el voltaje del condensador en aproximadamente 0.7 voltios. Es solo durante este tiempo que se repondrá el condensador, y esto puede conducir a picos de corriente muy grandes.

Para investigar este efecto, las simulaciones se vuelven a ejecutar, pero esta vez se agrega el voltaje a través de la resistencia de\(\Omega\) detección 1. Este valor relativamente pequeño solo tendrá un efecto modesto en la carga y descarga, y convenientemente se escala al valor de corriente (es decir, 100 milivoltios significa 100 miliamperios). Primero, examine la simulación transitoria de la Figura\(\PageIndex{10}\) usando el condensador de 50\(\mu\) F.

El barrido rojo es el voltaje de salida mientras que el barrido azul representa la corriente del condensador. La gráfica de voltaje de salida usa el eje vertical izquierdo mientras que la gráfica de corriente usa el eje vertical derecho. A medida que el voltaje de carga comienza a subir, vemos un pico abrupto en la corriente del condensador. Esto es corriente que carga el condensador y alcanza un pico de aproximadamente 180 miliamperios. El tiempo total para la fase de carga es de alrededor de 4 milisegundos. Una vez que el voltaje de salida alcanza su punto máximo, el condensador comienza a descargarse en la carga. Durante la fase de descarga tenga en cuenta que la polaridad de la corriente del condensador se ha invertido. Es negativo, alcanza un máximo de aproximadamente −80 miliamperios y entrega corriente a la carga.

Figura\(\PageIndex{10}\): Forma de onda de corriente de análisis transitorio usando un condensador de filtro de 50\(\mu\) F.

Esta simulación se repite usando el condensador de 1000\(\mu\) F. Los resultados se muestran en la Figura\(\PageIndex{11}\).

Figura\(\PageIndex{11}\): Forma de onda de corriente de análisis transitorio usando un condensador de filtro de 1000\(\mu\) F.

La forma de onda de corriente azul alcanza un máximo de aproximadamente 800 miliamperios, o más de cuatro veces el valor en comparación con el uso del condensador más pequeño. Además, el ancho del pulso positivo ha disminuido a aproximadamente 2.5 milisegundos. La fase de descarga es casi plana, lo que implica que el voltaje de salida debe ser más estable ya que este condensador es la única fuente de corriente de carga durante esta fase.

3.2.4: Rectificación de onda completa

Una mejora en la rectificación de media onda es la rectificación de onda completa. La rectificación de media onda es ineficiente porque esencialmente arroja la porción negativa de la entrada. En contraste, la rectificación de onda completa hace uso de la porción negativa al invertir o voltear su polaridad. El circuito resultante es modestamente más grande y más complicado, pero da como resultado grandes mejoras de rendimiento. Por ejemplo, el tamaño del condensador de filtro se reduce considerablemente.

Existen dos métodos populares para lograr la rectificación de onda completa. El primer método utiliza un par de diodos con un secundario de derivación central (es decir, dividido). El segundo método utiliza una red de puente de cuatro diodos. La forma de puente de diodos también es capaz de producir una salida bipolar (es decir, una salida positiva junto con una salida negativa, típicamente de la misma magnitud).

El circuito secundario con derivación central de dos diodos se muestra en la Figura\(\PageIndex{12}\). Este esquema también incluye el condensador de filtro.

Figura\(\PageIndex{12}\): Rectificador con toma central de onda completa con condensador.

La operación es la siguiente. Durante la mitad positiva de la fuente, el diodo de voltaje\(D_1\) está polarizado hacia delante mientras que\(D_2\) está polarizado hacia atrás. Por lo tanto, la mitad superior del secundario se comporta como un simple rectificador de media onda que permite que la corriente fluya a través\(D_1\) y hacia la carga. Debido a la polarización inversa activada\(D_2\), la mitad inferior presenta un circuito abierto y se elimina efectivamente. En forma de espejo, cuando el potencial aplicado cambia la polaridad\(D_1\) será polarizada hacia atrás mientras\(D_2\) se vuelve polarizada hacia adelante. La corriente ahora es libre de fluir a través\(D_2\) de la carga. Así, se utilizan ambas mitades de la forma de onda de entrada. Las formas de onda resultantes se ilustran en la Figura\(\PageIndex{13}\). Para mayor claridad, no se muestra el efecto de filtrado del condensador y\(V_{in}\) representa la mitad del voltaje secundario total.

Figura\(\PageIndex{13}\): Formas de onda de rectificador de onda completa.

Un punto importante a recordar acerca de esta configuración es que la carga solo “ve” la mitad del secundario en un momento dado. Por lo tanto, el voltaje de carga solo será la mitad del voltaje secundario total (menos una caída de diodo directo). Por ejemplo, si el transformador tiene una relación de vueltas 10:1 y está siendo alimentado desde una fuente estándar de 120 voltios, el secundario producirá 12 voltios RMS. Ignorando la caída del diodo, la carga vería la mitad de esto, o 6 voltios RMS (pico de aproximadamente 8.5 voltios). Por lo general, los transformadores están clasificados por su voltaje secundario total, por lo que este transformador se denominaría que tiene un “secundario de toma central de 12 voltios”.

Un puente rectificador de cuatro diodos se muestra en la Figura\(\PageIndex{14}\). Se incluye un condensador de filtro. También, tenga en cuenta el uso de una secundaria estándar, no centrada. Como esta es una configuración muy común, el puente de cuatro diodos está disponible como una sola pieza de cuatro conductores en una variedad de tamaños y capacidades de corriente.

Figura\(\PageIndex{14}\): Puente rectificador de onda completa con condensador.

El funcionamiento de este circuito se ilustra en la Figura\(\PageIndex{15}\) para la porción positiva de la entrada. Primero, la corriente fluye desde la parte superior de la secundaria hasta la\(D_1/D_2\) unión. Solo\(D_2\) ofrece una trayectoria de polarización directa para que la corriente fluya\(D_2\) a través de la unión con\(D_4\) y la carga. Como\(D_4\) presenta una trayectoria de polarización inversa, la corriente debe fluir hacia abajo a través de la carga. Desde tierra, la corriente continúa hasta el\(D_1/D_3\) cruce. Si bien a primera vista parece que la corriente podría fluir a través de cualquiera de los dos diodos, recuerde que el cátodo de\(D_1\) está atado al lado alto del secundario. Por lo tanto, su potencial debe ser mayor que el lado del ánodo, convirtiéndolo en polarización inversa. En consecuencia, la corriente fluye hacia abajo a través\(D_3\). Una situación similar ocurre en\(D_4\) y la corriente se dirige de nuevo al lado bajo de la secundaria. En resumen,\(D_2\) y\(D_3\) están sesgados hacia adelante mientras\(D_1\) y\(D_4\) son polarizados hacia atrás. La carga ve todo el voltaje secundario menos dos caídas de diodo directo.

Figura\(\PageIndex{15}\): Análisis de puente rectificador de onda completa, entrada positiva.

Durante la porción de polaridad negativa de la entrada, la situación se invierte como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{16}\). La corriente fluirá desde la parte inferior de la secundaria a través\(D_4\), hacia abajo a través de la carga, y finalmente de regreso a la parte superior de la vía secundaria\(D_1\). Por lo tanto,\(D_1\) y\(D_4\) están sesgados hacia adelante mientras\(D_2\) y\(D_3\) son polarizados hacia atrás. Lo importante es que en ambos casos, la corriente fluye hacia abajo a través de la carga, de arriba a abajo, resultando en un voltaje de salida positivo.

Figura\(\PageIndex{16}\): Análisis puente rectificador de onda completa, entrada negativa.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Diseñe un rectificador/filtro que produzca un voltaje de salida de aproximadamente 30 voltios con un consumo máximo de corriente de 300 miliamperios. Se debe alimentar desde una fuente RMS de 120 VCA. El voltaje de ondulación debe ser inferior al 10% del voltaje de salida nominal a plena carga.

Para este diseño nos enfocaremos en el uso de piezas comunes listas para usar. Como hemos visto, los rectificadores de onda completa son más eficientes en la conversión de CA a CC por lo que vamos a ir por esa ruta, específicamente, una disposición de puente de cuatro diodos. Utilizaremos el circuito de Figura\(\PageIndex{14}\) como guía.

El primer ítem a considerar es el tamaño del transformador. Una salida de 30 voltios requeriría un voltaje secundario pico de al menos 32 voltios ya que debemos agregar dos caídas de diodos directos. El valor RMS equivalente es\(32/\sqrt{2}\) o 22.6 voltios. A plena carga, el voltaje de salida filtrado caerá algo así que se requiere un valor algo mayor. Un secundario estándar de 24 voltios debería ser suficiente. Dada la corriente nominal de carga de 300 miliamperios, el transformador debe ser de al menos 0.3 amperios\(\cdot\) 24 voltios o 7.2 VA.

En lo que respecta al condensador, debe estar clasificado para el voltaje pico. El equivalente máximo es de 24 VCA RMS\(\cdot \sqrt{2}\) o 34 voltios. Aunque podría probarse un condensador nominal de 35 voltios, una clasificación estándar de 50 voltios dejaría un generoso margen de seguridad y aumentaría la confiabilidad. Para encontrar el valor de capacitancia primero debemos encontrar la impedancia de carga efectiva en el peor de los casos.

\[R = \frac{V_{out}}{I_{max}} \nonumber \]

\[R = \frac{30 V}{0.3 A} \nonumber \]

\[R = 100 \Omega \nonumber \]

Será útil comparar esto de nuevo con la simulación representada en la Figura\(\PageIndex{9}\). Nuestra especificación de ondulación es algo más ajustada que la lograda en la simulación anterior. Esto es evidente al señalar hasta qué punto el voltaje de salida ha caído a mitad de camino a través de la porción apagada del ciclo. En consecuencia, necesitaremos una constante de tiempo mayor, quizás por un factor de dos. Eso nos pone en 200 milisegundos.

\[\tau = RC \nonumber \]

\[C = \frac{\tau}{R} \nonumber \]

\[C = \frac{0.2s}{100 \Omega} \nonumber \]

\[C = 2000 \mu F \nonumber \]

Un valor estándar de 2200\(\mu\) F debería ser suficiente.

Simulación por Computadora

Para verificar nuestros resultados, se simula el diseño de\(\PageIndex{1}\) Example. El esquema se muestra en la Figura\(\PageIndex{17}\). Para simplificar la simulación, se utiliza una fuente RMS de 24 voltios en lugar del transformador. La carga en el peor caso se simula a través de una\(\Omega\) resistencia 100. Para la prueba inicial se omite el condensador de filtro para que podamos asegurar que se creen el voltaje pico y las formas de onda adecuadas. Los resultados de un análisis transitorio se muestran en la Figura\(\PageIndex{18}\). El voltaje secundario se muestra en rojo mientras que el voltaje de carga se muestra en azul. La forma de onda completa es exactamente como se esperaba, incluyendo una ligera reducción en el valor de voltaje pico debido a dos caídas de diodos directos. El pico de salida es justo por encima de 30 voltios, según se desee.

Figura\(\PageIndex{17}\): Esquema de simulación para el diseño de Ejemplo\(\PageIndex{1}\) sin condensador.

Figura\(\PageIndex{18}\): Análisis transitorio del diseño de Ejemplo\(\PageIndex{1}\) sin condensador.

Ahora que tenemos confianza en el nivel de voltaje y la forma de onda, se agrega el condensador del filtro de salida como se muestra en la Figura\(\PageIndex{19}\). Se realiza de nuevo un análisis transitorio con las formas de onda de voltaje de entrada y carga resultantes representadas en la Figura\(\PageIndex{20}\). El voltaje de carga se muestra en rojo. El valor promedio es de poco más de 30 voltios y la ondulación pico a pico es inferior a dos voltios, según se desee. Tenga en cuenta que el voltaje pico a plena carga con el condensador es ligeramente menor que lo que se vio en la versión sin condensador. Si la demanda de corriente de carga aumentara, tanto la caída como la ondulación empeorarían.

Figura\(\PageIndex{19}\): Esquema de simulación para el diseño de Ejemplo\(\PageIndex{1}\) con condensador.

Figura\(\PageIndex{20}\): Análisis transitorio del diseño de Ejemplo\(\PageIndex{1}\) con condensador.

3.2.5: Puente de onda completa con salidas duales

Como se mencionó, el puente de onda completa se puede configurar para crear un suministro bipolar de doble salida. Esto se muestra en la Figura\(\PageIndex{21}\). Tenga en cuenta la inclusión de la toma central en el secundario del transformador y la ubicación de la conexión a tierra entre las dos cargas y sus condensadores asociados.

Figura\(\PageIndex{21}\): Rectificador puente de onda completa de doble salida.

Una forma de pensar de esto es que simplemente hemos creado un nuevo punto de referencia, dividiendo por la mitad el potencial de salida total del circuito presentado en la Figura\(\PageIndex{14}\). Como alternativa, puede pensarse como la mitad superior de la conducción secundaria\(R_{load+}\) mientras que la mitad inferior conduce\(R_{load-}\), como si las versiones puente y dos diodos se combinaran de alguna manera en un accidente de transportador, como en la película de 1958 The Fly, aunque no grita “¡Ayúdame! ¡Ayúdame!” con una pequeña voz al final.

3.2.6: Regulación Zener

Agregar un condensador grande a un rectificador es necesario para almacenar y transferir energía de manera que resulte un voltaje suave e idealmente no variable. Como se señaló anteriormente, bajo carga pesada la ondulación aumentaría en amplitud y el voltaje promedio caería. Este problema se puede reducir en gran medida agregando un diodo Zener y una resistencia limitadora de corriente a la salida, siguiendo el condensador. Esto se denomina regulador Zener y se muestra en la Figura\(\PageIndex{22}\).

Figura\(\PageIndex{22}\): Regulador Zener simple.

El funcionamiento del regulador Zener es bastante sencillo. Recordemos que cuando se polariza hacia atrás con un potencial suficientemente grande, el comportamiento normal del diodo inverso de un interruptor abierto cambia abruptamente para mantener un voltaje fijo; el potencial Zener. La corriente a través del diodo comienza a aumentar drásticamente una vez que se alcanza este potencial. Si colocamos un diodo Zener a través de la salida de nuestro rectificador filtrado, el Zener intentará limitar el voltaje de salida al potencial Zener. Para evitar el consumo excesivo y posiblemente destructivo de corriente por el diodo Zener, la diferencia de voltaje entre el voltaje del condensador y el potencial Zener se reduce a través de una resistencia limitadora de corriente en serie. Esta resistencia limitadora establecerá la cantidad máxima de corriente de salida. Esta corriente se divide entonces entre el diodo Zener y la carga. Bajo condiciones de carga ligera, la mayor parte de esta corriente fluirá a través del diodo Zener. Bajo condiciones de carga pesada, la mayor parte de la corriente será extraída por la carga con poco flujo a través del diodo Zener. Si la demanda de corriente de carga es demasiado pesada, no hay corriente disponible para el diodo Zener y deja de conducir. La regulación se pierde y la resistencia limitadora forma un divisor de voltaje con la carga.

Un circuito completo de rectificador/filtro/regulador Zener se muestra en la Figura\(\PageIndex{22}\). Examinemos cómo\(R_{limit}\) interactúa con la carga.

Figura\(\PageIndex{22}\): Puente rectificador de onda completa y filtro con regulador Zener.

Para un funcionamiento adecuado, el potencial Zener (\(D_5\)) es el voltaje de salida de CC deseado y el voltaje secundario pico se establece algo más alto. Deseamos garantizar que bajo condiciones de carga completa el voltaje más bajo del condensador debido a la ondulación es aún mayor que el voltaje de salida de CC deseado. La diferencia entre el voltaje del condensador y el potencial Zener cae a través\(R_{limit}\). Por lo tanto

\[I = \frac{V_{cap} −V_Z}{R_{limit}} \nonumber \]

Bajo condiciones sin carga, toda esta corriente fluye hacia abajo a través del diodo Zener. La corriente de carga máxima es igual a este valor (momento en el que no fluye corriente a través del diodo Zener).

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

Determine la corriente de carga máxima para una fuente de CC como la que se encuentra en la Figura\(\PageIndex{22}\). El voltaje del condensador es de 15 voltios promedio con\(\pm\) 1 voltio de ondulación (es decir, 16 voltios cayendo a 14 voltios). El potencial Zener es de 12 voltios y\(R_{limit}\) es de 4.7\(\Omega\).

La corriente de carga continua más alta posible es la corriente pasante\(R_{limit}\) (ignorando\(I_{ZT}\)). El caso limitante para el drenaje continuo ocurrirá cuando el voltaje del condensador esté en su valor más bajo, o 14 voltios.

\[I = \frac{ V_{cap} −V_Z}{R_{limit}} \nonumber \]

\[I = \frac{14 V −12 V}{4.7 \Omega} \nonumber \]

\[I = 426mA (\text{actually a few mA less due to } I_{ZT} ) \nonumber \]

La corriente pico más alta a través del diodo Zener se encuentra en el voltaje máximo del condensador y asume que la carga no consume corriente.

\[I = \frac{ V_{cap} −V_Z}{R_{limit}} \nonumber \]

\[I = \frac{16 V −12 V}{4.7 \Omega} \nonumber \]

\[I = 851 mA \nonumber \]

Tenga en cuenta que esta corriente en el peor de los casos por el potencial Zener da como resultado una disipación de potencia de aproximadamente 10 vatios. Por supuesto, durante el funcionamiento normal con una corriente de extracción de carga, la disipación del diodo se reduce mucho. Es interesante señalar que el Zener disipa la potencia máxima cuando la corriente de carga es cero. En consecuencia, podemos pensar en este circuito como el desplazamiento de corriente del diodo Zener a la carga ya que la carga demanda más corriente ².

Referencias

¹ Si te estás preguntando por qué no solo usamos la distribución DC en su lugar para “cortar al hombre del medio”, las razones son múltiples. Primero, generalmente es más eficiente distribuir la energía a través de CA en lugar de CC. Segundo, incluso si DC está disponible, puede que no esté a la amplitud que requiere la circuitería. Por lo tanto, se necesitaría alguna forma de conversión de CC a CC. Dependiendo de la aplicación, esto puede resultar más costoso que la conversión de CA a CC.

² Como puede adivinar, esto no es particularmente eficiente porque incluso cuando la demanda de carga es nula, el diodo Zener sigue extrayendo corriente del transformador. Un circuito mejorado puede incluir un transistor bipolar, como se examina en el Capítulo 4. Para obtener detalles sobre técnicas más sofisticadas para regular voltaje, consulte Fiore, J, Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales: Teoría y Aplicación, otro texto libre de REA.