3.4: Circuitos Rectificadores

¿Qué es la Rectificación?

Ahora llegamos a la aplicación más popular del diodo: la rectificación. Simplemente definida, la rectificación es la conversión de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC). Esto implica un dispositivo que solo permite el flujo unidireccional de electrones. Como hemos visto, esto es exactamente lo que hace un diodo semiconductor. El tipo más simple de circuito rectificador es el rectificador de media onda. Solo permite que la mitad de una forma de onda de CA pase a través de la carga. (Figura abajo)

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. La rectificación de media onda es, sin embargo, una forma muy sencilla de reducir la potencia a una carga resistiva. Algunos interruptores de atenuación de lámpara de dos posiciones aplican alimentación de CA completa al filamento de la lámpara para un brillo “completo” y luego la rectifican de media onda para una menor salida de luz. (Figura abajo)

Aplicación 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 potencia que normalmente recibiría operando en CA de onda completa. Debido a que la potencia rectificada de media onda pulsa mucho más rápidamente que el filamento tiene tiempo para calentarse y enfriarse, la lámpara no parpadea. En cambio, su filamento simplemente opera a una temperatura menor de lo normal, proporcionando menos salida de luz. Este principio de “pulsación” de 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 completamente conductor o completamente 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 grosero posible de pulsación de potencia 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. Tal circuito se llama rectificador de onda completa. Un tipo de rectificador de onda completa, llamado diseño de toma central, utiliza un transformador con un devanado secundario de toma central y dos diodos, como en la Figura siguiente.

Rectificador de onda completa, diseño de toma central.

El funcionamiento de este circuito se entiende fácilmente medio ciclo a la vez. Considera 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 el diodo superior está conduciendo; el diodo inferior está bloqueando 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 en la Figura siguiente.

Rectificador de toma central de onda completa: La mitad superior del devanado secundario conduce durante el medio ciclo positivo de entrada, entregando medio ciclo positivo a la carga..

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 llevaban 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 abajo)

Rectificador de toma central de onda completa: Durante el medio ciclo de entrada negativa, la mitad inferior del devanado secundario conduce, entregando un medio ciclo positivo a la carga.

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

La polaridad del rectificador con toma central de onda completa en la carga puede invertirse cambiando la dirección de los diodos. Además, los diodos invertidos pueden estar en paralelo con un rectificador de salida positiva existente. El resultado es un rectificador de onda completa de doble polaridad en la Figura a continuación. 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 doble polaridad

Rectificadores de puente de onda completa

Existe otro diseño de rectificador de onda completa más popular, y está construido alrededor de una configuración de puente de cuatro diodos. Por razones obvias, a este diseño se le llama puente de onda completa. (Figura abajo)

Puente rectificador de onda completa.

Las direcciones de corriente para el circuito rectificador de puente de onda completa son como se muestra en la Figura a continuación para el medio ciclo positivo y la Figura a continuación para los semiciclos negativos de la forma de onda 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 medio ciclo negativo de la fuente es un medio ciclo positivo a la carga. El flujo de corriente es a través de dos diodos en serie para ambas polaridades. Así, se pierden dos caídas de diodo de la tensión de la fuente (0.7·2=1.4 V para Si) en los diodos. Esto es una desventaja en comparación con un diseño de toma central de onda completa. Esta desventaja es solo un problema en las fuentes de alimentación de muy baja tensión.

Puente rectificador de onda completa: Flujo de electrones para semiciclos positivos.

Rectificador puente de onda completa: Flujo de electrones para semiciclos negativos.

Recordar el diseño adecuado de los diodos en un circuito rectificador de puente de onda completa a menudo puede ser frustrante para el nuevo estudiante de electrónica. He encontrado que una representación alternativa de este circuito es más fácil tanto de recordar como de comprender. Es exactamente el mismo circuito, excepto que todos los diodos se dibujan en una actitud horizontal, todos “apuntando” en la misma dirección. (Figura abajo)

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

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

Circuito rectificador de puente trifásico de onda completa.

Cada línea trifásica se conecta entre un par de diodos: uno para enrutar la potencia al lado positivo (+) de la carga, y el otro para enrutar la potencia 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 puente de seis fases en la Figura siguiente.

Circuito rectificador de puente de onda completa de seis fases.

Cuando se rectifica la CA polifásica, los pulsos desfasados 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 puro de los componentes de filtrado sería prohibitivo pero se debe obtener energía de CC de bajo ruido. El diagrama de la siguiente figura muestra la rectificación de onda completa de CA trifásica.

Salida trifásica de CA y rectificador trifásico de onda completa.

Voltaje de ondulación

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

Unidades de 1 pulso, 2 pulsos y 6 pulsos

En ocasiones, se hace referencia al método de rectificación contando el número de “pulsos” de CC de salida por cada 360 ^o de “rotación” eléctrica. Un circuito rectificador monofásico de media onda, entonces, se llamaría rectificador de 1 pulso, 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, toma central o puente) se llamaría rectificador de 2 pulsos porque emite dos pulsos de CC durante el tiempo de un ciclo de CA. Un rectificador trifásico de onda completa se llamaría unidad de 6 pulsos.

Fases del circuito 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, vías y número de pulsos. A un circuito rectificador monofásico de media onda se le da la designación algo críptica de 1Ph1W1P (1 fase, 1 vía, 1 pulso), lo que significa que el voltaje de alimentación de CA es monofásico, que la corriente en cada fase de las líneas de suministro de CA se mueve en una sola dirección (vía), y que hay un solo pulso de CC producido para cada 360 ^o de rotación eléctrica. Un circuito rectificador de toma central monofásico, de onda completa, se designaría como 1Ph1W2P en este sistema de notación: 1 fase, 1 vía o dirección de la corriente en cada mitad del devanado y 2 pulsos o voltaje de salida por ciclo. Un rectificador de puente monofásico de onda completa se designaría como 1Ph2W2P: lo mismo que para el diseño de toma central, excepto la corriente, puede ir en ambos sentidos 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 del número de fases en un circuito rectificador?

La respuesta a esta pregunta es sí:, especialmente en circuitos polifásicos. A través del uso creativo de transformadores, los conjuntos de rectificadores de onda completa pueden ser paralelos de tal manera que se producen más de seis pulsos de CC para tres fases de CA. Se introduce un desplazamiento de fase de 30 ^o de primario a secundario de un transformador trifásico cuando las configuraciones de devanado no son del mismo tipo. En otras palabras, un transformador conectado ya sea Y-Δ o Δ-Y exhibirá este desplazamiento de fase de 30 ^o, mientras que un transformador conectado Y-Y o Δ-Δ no lo hará. Este fenómeno puede explotarse al tener un transformador conectado Y-Y alimentando un rectificador puente, y tener otro transformador conectado Y-δ alimentar un segundo rectificador puente, luego paralelo a las salidas de CC de ambos rectificadores. (Figura a continuación) 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 de 2 vías de 12 pulsos (3Ph2W12P)

Revisar

• La rectificación es la conversión de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC).
• Un rectificador de media onda es un circuito que permite aplicar solo un medio ciclo de la forma de onda de voltaje de CA a la carga, lo que resulta en una polaridad no alterna a través de ella. La CC resultante entregada a la carga “pulsa” significativamente.
• Un rectificador de onda completa es un circuito que convierte ambos semiciclos de la forma de onda de voltaje de CA en una serie ininterrumpido de pulsos de voltaje de la misma polaridad. La CC resultante entregada a la carga no “pulsa” tanto.
• La corriente alterna polifásica, cuando se rectifica, da una forma de onda de CC mucho “más suave” (menos voltaje de ondulación) que la CA monofásica rectificada.