Una de las mayores aplicaciones de los diodos es su uso en los llamados circuitos rectificadores. ¿Qué es "circuitos rectificadores"? Como ya hemos estudiado, hay circuitos AC y circuitos DC. La mayoría de los equipos electroelectrónicos funcionan con energía de tipo DC. Sin embargo, para los consumidores, las compañías de electricidad suministran energía tipo AC. Entonces para que el equipo electro electrónico funciona correctamente, debemos convertir la energía AC en energía DC. Aquí es donde entran los rectificadores AC - DC. O sea, transforma la energía de AC en energía de DC.

Entonces, lo que vamos a estudiar en este capítulo es cómo rectificar una onda sinusoidal, entregado a los consumidores una energía tipo DC.

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Básicamente, tenemos dos tipos de rectificadores: los rectificadores de media onda y los los rectificadores onda completa. Inicialmente, estudiemos el rectificador de media onda . En la Figura 62-01 aparece la representación de un circuito rectificador en su configuración más simple.

El circuito consiste en una fuente de voltaje alterno , que pasa a través de un diodo y alimentando una carga, R_L. Recuerde que el diodo solo permite que la corriente eléctrica fluya solo en una dirección.

Vemos en la Figura 62-02 el gráfico del voltaje de entrada (parte superior de la figura), y en parte inferior de la figura, la representación del voltaje de salida V_o en la carga R_L. Tenga en cuenta que el diodo elimina el semiciclo negativo de la sinusoide. Entonces solo tenemos pulsos positivos.

¿Cómo sucede esto?   A medida que el voltaje de entrada comienza a aumentar, hay una polarización directo del diodo y este entra en la conducción. En términos generales, diodo en conducción significa que el diodo actúa como un cortocircuito. Por lo tanto, todo el voltaje de la fuente aparece en la carga hasta que alcanza el valor máximo. A partir de ese punto, el voltaje comienza a disminuir, llegando a cero. Entonces el sinusoide tiene valores negativos y esto hace que el diodo entre en la zona de corte. Es decir, no hay más flujo de corriente a través del circuito ya que el diodo actúa como un circuito abierto. Y esto, genera en la salida una voltaje cero. Esto dura todo el ciclo negativo. Cuando el ciclo positivo regresa, el proceso se repite.

Aunque la tensión rectificada no es una tensión directa o filtrada, sí que tiene una componente DC y un cierto ripple. Para una señal rectificada de media onda, el voltaje DC, con respecto al voltaje pico V_p, es:

El valor rms de esta voltaje de rizado, para una rectificación de media onda, es:

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3. Condensador de Filtro

Nuestro desafío ahora es cómo llenar los espacios "vacíos" entre los dos picos positivos para que podamos tener un voltaje de salida constante. Tenemos que agregar algún elemento que proporcione energía a la carga entre estos picos. Nada más natural que usar un ... CONDENSADOR ... en paralela a la carga. Veamos cómo funciona el circuito si agregamos un condensador.

Vea en la Figura 62-03 el circuito modificado donde incluimos el condensador en paralelo con la carga. Cuando incluimos el condensador, hay una diferencia en la operación del circuito. Tan pronto la voltaje de la fuente comienza a crecer desde cero, el diodo entra en conducción transfiriendo carga a el condensador. Esta situación se mantiene hasta que la sinusoide alcanza su valor máximo. En este momento, el condensador también tiene el voltaje máximo. En ese tiempo, que constituye el primer 90° de la sinusoide, la fuente suministra corriente al condensador y a la carga. Para mayor claridad, en el circuito, el diodo está representado por un cortocircuito. Y del circuito fácilmente concluimos que I = i_C + i_L.

A partir de ese momento, el voltaje de la fuente comienza a disminuir. Sin embargo, el voltaje del condensador no disminuye en la misma medida. Esto se debe al hecho de que el voltaje de la fuente se vuelve más pequeño que el voltaje del condensador. Luego el diodo entra en la zona de corte, actuando como un circuito abierto. Vea en la Figura 62-04 el diodo representado por un interruptor abierto. De esta manera, la fuente ya no suministra corriente al condensador y a la carga. Por lo tanto, es el condensador que suministra corriente a la carga, indicado por la flecha verde y representado en el circuito por i_L. Tenga en cuenta que cuando el diodo está en la zona de corte la corriente en el condensador obedece a la ecuación - i_C = i_L. esto es evidente mirando Figura 62-03 y Figura 62-04.

En la Figura 62-05 encontramos que cuando el seno varía entre 90° y 450° - φ (zona resaltada en amarillo), es el condensador que suministra corriente a la carga. Aquí, φ representa el ángulo de conducción del diodo. Por lo tanto, este pequeño intervalo de tiempo que conduce el diodo es suficiente para elevar nuevamente el voltaje del capacitor al voltaje de entrada máximo. Esto se repite ciclo por ciclo. En la figura, representamos el primer ciclo inmediatamente después de que el circuito es alimentado por la fuente de voltaje, suponiendo que el condensador puede cargarse completamente cuando se enciende la alimentación.

Es fácil ver en la Figura 62-05 que cuanto menor es el valor de ΔV, también más corto será el tiempo de conducción ( φ) del diodo. Esto implica que el diodo conduce el tiempo que tarda el capacitor en volver a su voltaje máximo. (V_Cmáx). Después de eso, el diodo vuelve al corte.

Entonces, con la presencia del capacitor, tendremos un voltaje promedio DC en la salida, que llamaremos de V_DC, y que puede aproximarse mediante eq. 62-01, considerando que podemos representar la voltaje de ondulación mediante una onda triangular.

A partir de esta tensión media DC podemos definir una corriente media en la carga que se puede encontrar mediante la ecuación eq. 62-02 y que llamaremos de I_DC.

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  3.1   Voltage de Ondulación - ΔV_r

Por lo general, en problemas presentados en libros o evidencia, el voltaje de ondulación puede ser especificado como un valor numérico o, como es más común, un porcentaje relativo a la voltaje de salida del circuito. Además, existe la posibilidad de expresar el voltaje de ondulación o ripple, como un valor RMS (representado por V_r (rms)) o un valor pico a pico (representado por ΔV_r). En este artículo estudiaremos el caso del valor pico a pico y en el siguiente ítem el valor RMS.

Tomando como referencia el último circuito, vemos que es simplemente un condensador con un voltaje inicial V_Cmax (inmediatamente después de que el diodo entra en corte) en paralelo con la carga R_L. Con el tiempo, el condensador se descargará por la carga. La idea básica que debemos implementar es que el voltaje del condensador, entre los dos picos de voltaje es igual    V_C = V_Cmax - ΔV.    Para esto debemos tener un tiempo constante    (τ = C R_L) de valor adecuado. Dado que se conoce el valor de R_L, queda por calcular el valor del condensador C que permite que se cumplan las condiciones del problema.

De lo expuesto arriba, podemos escrever que:

Cómo sabemos el voltaje inicial del capacitor V_Cmax, después de un tiempo t el voltaje a través del capacitor será:

Para encontrar una ecuación aproximada del valor de C, hagamos dos simplificaciones, basado en el hecho de que para este caso tenemos τ = R C >> t. Entonces podemos escribir:

En el enfoque anterior, T es el período de la onda sinusoidal. Reemplazando estos valores en   ⓶   y combinando esto con    ⓵,   vamos a buscar:

Por otro lado, sabemos que la frecuencia es la inversa del período. Pronto resolviendo algebraicamente la ecuación anterior, llegamos a:

Por lo tanto, conociendo los valores de f , R_L y C, podemos calcular el valor de voltaje de ondulación. Y así, podemos definir el índice o tasa porcentual de ondulación pico a pico representada por la letra r_pp, de acuerdo a la ecuación eq. 62-04.

Tenga en cuenta que el uso de eq. 62-03 podemos escribir la eq. 62-05.

Note que en base a eq. 62-05, podemos reescribir eq. 62-03 de la siguiente manera:

Trabajando algebraicamente en eq. 62-01 y eq. 62-06, podemos escribir la eq. 62-07:

 Atención

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  3.2   Voltaje de ondulación RMS [V_r (rms)]

En el ítem anterior, para estudiar el rizado, aproximamos el voltaje mediante una forma de onda triangular. Así, definimos ΔV_r como la variación de tensión pico a pico. Otra forma de estudiar ondulación es considerar el valor RMS. Para ello es necesario establecer una correspondencia entre el valor RMS y el valor pico a pico de la tensión triangular. Usando un poco de cálculo encontraremos que

Ahora, podemos definir el índice de ondulación RMS representado por la letra r, según la eq. 62-10.

Al hacer trabajo algebraico con las ecuaciones que ya hemos estudiado, podemos escribir una ecuación que relacione r, V_r(rms) y V_Cmáx, como se puede ver en eq. 62-11.

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3.3 Valor del Condensador de Filtro

Como entre los valores pico a pico y el valor RMS hay un factor de corrección, vamos a estudiar cada caso por separado. Por lo tanto, debemos saber de antemano si el enunciado del problema contiene un valor ripple en valores RMS o pico a pico. La Figura 62-06 muestra el circuito de un rectificador de media onda con el capacitor de filtrado, C.

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   3.3.1  Para Valores de Ondulación en Pico a Pico

En caso de que la onda se dé en valores pico a pico, es decir, estamos trabajando con ΔV_r, luego manipulando algebraicamente eq. 62-03, podemos encontrar el valor del capacitor para la onda especificada, o

Conociendo los valores de f, R_L y r_pp, también es posible calcular el valor de C usando la eq. 62-13.

 Atención

Para el caso donde r_pp < 10% a eq. 62-14 se puede utilizar ya que el error cometido es inferior al 3 % de media. Como los componentes eléctricos, en general, pueden tener una tolerancia superior a 5% y, además, se venden con valores por defecto que no siempre coinciden con los valores calculados, por lo que este error es perfectamente tolerable. Como ejemplo, vea Problema 62-2, o Haga clic aquí.

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   3.3.2  Para Valores de Ondulación RMS

En caso de que se proporcione ripple en valor RMS, debemos considerar el factor de corrección dado por eq. 62-09. Usando este factor de corrección en eq. 62-03, encontramos el valor de C, o:

Reemplazando la eq. 62-11 en eq. 62-15, obtenemos:

 Atención

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Hasta ahora hemos estudiado el rectificador de media onda utilizando un diodo ideal, es decir no hubo caída de voltaje sobre él. Pero, de hecho, sabemos que cuando un diodo se encuentra en la zona de conducción hay una diferencia potencial sobre ella de 0,7 voltios. Pronto, para encontrar el voltaje máximo a través del capacitor, es decir, V_Cmax, debemos restar 0,7 V al voltaje máximo o pico ( V_p ) del transformador secundario u otro tipo de fuente utilizada. Entonces, podemos escribir

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Todos los diodos vienen con una especificación muy importante llamada voltaje inverso. ¿Que significa eso?   Tenga en cuenta, en las explicaciones anteriores, que cuando la sinusoide entra en el pico negativo, la unión P-N del diodo está en corte. Para evitar daños al diodo, debe ser capaz de soportar este voltaje inverso. Por lo tanto, al seleccionar un diodo para un proyecto, asegúrese de verificar que sea compatible con el voltaje inverso en el circuito. Como ejemplo podemos citar la serie 1N 4000, donde el diodo 1N 4001 soporta una voltaje inversa de 100 voltios, el 1N 4002 admite 200 voltios de voltaje inversa, subiendo hasta el 1N 4007 que soporta 1 000 voltios. Así, existen varios tipos de diodos con diferentes valores de voltaje inversa. Por eso, para un buen proyecto es importante estar atento a los detalles.

Para un rectificador de media onda, la voltaje inversa a la que se somete el diodo es igual a la suma del voltaje máximo suministrado por el secundario del transformador (V_p) y el voltaje máximo a través del capacitor (V_Cmáx). De esta manera, podemos aproximar el valor del voltaje inverso (V_rev) a través del diodo de acuerdo con eq. 62-19.

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De todo lo que se ha estudiado hasta ahora, podemos concluir que cuanto mayor es el condensador de filtrado, menor es el ripple. Con esto obtendremos una mayor voltaje a la salida del filtro y con un mejor filtrado. Los valores grandes para el condensador de filtrado, por otro lado, afectan la corriente máxima consumida por los diodos rectificadores durante la carga del condensador. Como hemos visto, valores grandes para el capacitor generan una ondulación más pequeña y, en consecuencia, el tiempo de conducción de los diodos rectificadores es más corto. Esto significa que cuanto más corto sea el tiempo de carga del condensador, mayor será el flujo de corriente de carga a través de los diodos.

Mire la Figura 62-07. Representamos intencionalmente el voltaje de salida de un circuito rectificador utilizando un capacitor de baja capacidad. Esto resulta en un rizado apreciable en la tensión de salida. Por lo tanto, el tiempo T_c también es estupendo. Recordando que, en un capacitor, la relación Δq = C ΔV es válida, esto nos dice que la corriente de carga del condensador es relativamente pequeña, ya que sabemos que I = Δq / Δt. Entonces, si Δt es grande, entonces I es pequeño. Tenga en cuenta que T_c, con respecto a la Figura 62-05, es exactamente el ángulo φ_c, es decir, el ángulo de conducción del diodo. Por tanto, es evidente que cuanto menor es el valor del condensador, mayor es el tiempo de conducción del diodo.

Observe la Figura 62-08.Aquí representamos el voltaje de salida. de un circuito rectificador usando un capacitor de alta capacidad. Esto resulta en un ondulación demasiado pequeña en el voltaje de salida. Por lo tanto, el tiempo T_c también es pequeño. Dado que la relación Δq = C ΔV es válida, ahora la corriente de carga del condensador es mucho mayor que en el caso anterior, en base al hecho de que I = Δq / Δt. Entonces, cuando Δt es pequeño, entonces I debe ser grande. Encontramos que cuanto mayor es el valor del capacitor, el tiempo de conducción del diodo es más corto. En las figuras, el tiempo de conducción del diodo se representa en color verde .

Como se discutió en ítem 3.3.1, la corriente de diodo promedio se puede calcular transformando eq. 62-12 y eq. 62-02 en la relación que se muestra a continuación, eq. 62-20.

Cabe señalar que en el caso de la rectificación de media onda, el valor de la frecuencia es el valor nominal de la frecuencia de operación del sistema eléctrico. En Brasil, el valor es f = 60 Hz.

Suponiendo que durante el tiempo de carga del capacitor, la corriente en el diodo es constante y que la corriente promedio extraída de la fuente es igual a la corriente promedio en el diodo, podemos escribir la ecuación que determina la corriente máxima en el diodo , o

Observe que reemplazando eq. 62-20 en eq. 62-21, y recordando que f = 1/T, podemos escribir eq. 62-22, o

Vea que el producto 2 C V_DC r_pp es exactamente la carga Q que debe suministrarse al capacitor en un tiempo T_c. Y como por definición I = ΔQ / ΔT, entonces esta ecuación está perfectamente en línea con lo que se ha estudiado hasta ahora.

Sin embargo, para determinar el valor de I_p necesitamos calcular el valor de T_c. Como tenemos una onda sinusoidal, es posible determinar el ángulo en el que el diodo comienza a conducir, al que llamaremos θ₁. Por lo tanto, considerando la posibilidad de aproximar la forma de onda de ondulación por una onda triangular, podemos escribir

A partir de esta ecuación determinamos fácilmente el valor de θ₁, o

También es posible reescribir la ecuación eq. 62-23, recordando la relación mostrada en ecuación 62-06 y, adaptando, obtenemos la eq. 62-24.

Cuando el condensador, en el proceso de carga, alcanza el voltaje máximo, es decir, V_Cmáx, la corriente en el diodo cae a cero y deja de conducir. El tiempo que el diodo permanece conduciendo depende de la constante de tiempo, o τ = R_L C. De esta manera, podemos determinar el ángulo en el que el diodo deja de conducir, representado aquí por θ₂.

Por la ecuación eq. 62-03, tenemos eso f  R_L C = V_Cmax / ΔV_r. Entonces, podemos reescribir la ecuación anterior como:

Aquí, también es posible reescribir la ecuación eq. 62-25, recordando la relación mostrada en eq. 62-06 y, adaptando, obtenemos el eq. 62-26.

Aquí vamos a hacer unos pequeños paréntesis para que quede muy explícito qué es θ₁ y θ₂. El ángulo θ₁ representa el ángulo desde cero hasta el momento en que el diodo comienza a conducir. Y el ángulo θ₂ representa el ángulo en el que el diodo deja de conducir, es decir, cuando el condensador alcanza su tensión máxima. Es importante notar que la diferencia entre θ₂ y θ₁ es exactamente el ángulo de conducción de el diodo, φ_c, es decir

Ver Figura 62-09 para la indicación de ángulos. La parte en verde indica el tiempo de conducción del diodo, representando tanto T_c (en segundos) como φ _c (en grados). La parte en azul corresponde a los momentos en que se corta el diodo. el ángulo θ₁ va desde cero hasta el punto donde el diodo comienza a conducir. y el ángulo θ₂ corresponde al ángulo desde cero hasta el punto donde el diodo deja de conducir.

Ahora, con el valor de T_c o φ_c, podemos determinar el pico de corriente en el diodo transformando eq. 62-21 en la siguiente igualdad:

Por lo tanto, es posible calcular I_p tanto por eq. 62-28 o, según eq. 62-22. Tenga en cuenta que usamos el ángulo de 360° en la relación, ya que estamos analizando un rectificador media onda. Para un rectificador de onda completa este valor es diferente. En el próximo capítulo analizaremos esta relación.

 Atención