La energía eléctrica se transporta y convierte convenientemente en forma de tensión alterna. Es en esta forma que se entrega al consumidor final. Pero muchos dispositivos siguen necesitando que se les suministre tensión continua.
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Rectificadores en ingeniería eléctrica
Los rectificadores se utilizan para convertir las corrientes alternas en corrientes continuas. Este dispositivo se utiliza ampliamente y las principales áreas de uso de los rectificadores en la radio y la ingeniería eléctrica:
- formación de corriente continua para instalaciones eléctricas de potencia (subestaciones de tracción, plantas de electrólisis, sistemas de excitación de generadores síncronos) y potentes motores de corriente continua;
- fuentes de alimentación para dispositivos electrónicos;
- detección de señales de radio moduladas;
- Generación de tensión directa proporcional al nivel de la señal de entrada para construir sistemas de control automático de ganancia.
La gama de aplicaciones de los rectificadores es muy amplia y no es posible enumerarlas todas en un solo resumen.
Principios del rectificador
Los dispositivos rectificadores se basan en el principio de la conductividad unidireccional de los elementos. Esto puede hacerse de diferentes maneras. Muchas formas de aplicación industrial son cosa del pasado: por ejemplo, el uso de máquinas mecánicas síncronas o dispositivos de electrovacío. Hoy en día se utilizan válvulas que conducen la corriente hacia un lado. No hace mucho tiempo, los dispositivos de mercurio se utilizaban para rectificadores de alta potencia. Hoy en día, éstos han sido prácticamente sustituidos por elementos semiconductores (silicio).
Diagramas típicos de los rectificadores
Los dispositivos rectificadores pueden construirse según diferentes principios. Al analizar los diagramas de los rectificadores, hay que recordar que la tensión a la salida de cualquier rectificador sólo puede llamarse constante de forma convencional. Esta unidad produce una tensión unidireccional pulsante, que en la mayoría de los casos debe ser suavizada mediante filtros. Algunos consumidores también requieren la estabilización de la tensión rectificada.
Rectificadores monofásicos
El rectificador de corriente alterna más sencillo es un solo diodo.
Pasa la media onda positiva de la onda sinusoidal al consumidor y "corta" la media onda negativa.
El ámbito de aplicación de un dispositivo de este tipo es pequeño, principalmente, Rectificadores en fuentes de alimentación conmutadasEl rectificador tiene una gama limitada de aplicaciones, principalmente en rectificadores para fuentes de alimentación conmutadas que funcionan a frecuencias relativamente altas. Aunque suministra corriente que fluye en una dirección, tiene importantes inconvenientes:
- alto nivel de ondulación - se necesitaría un condensador grande y engorroso para suavizar y producir una corriente constante;
- Infrautilización de la capacidad de los transformadores reductores (o elevadores), lo que conlleva un aumento del peso y del tamaño;
- El CEM medio de salida es menos de la mitad del CEM de entrada;
- mayores necesidades de diodos (por otro lado, sólo se necesita una válvula).
Por lo tanto, lo más extendido es Circuito de doble semiperiodo (puente).
Aquí, la corriente fluye a través de la carga dos veces por período en la misma dirección:
- La media onda positiva a lo largo de la trayectoria indicada por las flechas rojas;
- la media onda negativa a lo largo de la trayectoria indicada por las flechas verdes.
La media onda negativa no se pierde y también se utiliza, por lo que la potencia del transformador de entrada se aprovecha más. El CEM medio es el doble que el de la versión de media onda simple. La forma de onda de la corriente pulsante se acerca mucho más a una línea recta, pero sigue siendo necesario un condensador de suavización. Su capacidad y dimensiones serán menores que en el caso anterior, porque la frecuencia de rizado es el doble de la frecuencia de la tensión de red.
Si se dispone de un transformador con dos devanados idénticos que se pueden conectar en serie, o con el devanado que se estrecha en el centro, se puede construir un rectificador de doble medio período en un circuito diferente.
En realidad, es una duplicación del rectificador de medio período simple, pero tiene la ventaja del medio período doble. La desventaja es que el transformador debe tener un diseño específico.
Si el transformador se hace como aficionado, no hay obstáculo para devanar el secundario como se requiere, pero el hierro debe estar algo sobredimensionado. En lugar de 4 diodos sólo se utilizan 2. Esto compensará la pérdida de masa e incluso la ganancia.
Si el rectificador está diseñado para una corriente elevada y las válvulas deben montarse sobre disipadores, la instalación de la mitad de diodos supone un ahorro importante. También hay que tener en cuenta que este rectificador tiene el doble de resistencia interna en comparación con un circuito de puente, por lo que el calentamiento de los devanados del transformador y las pérdidas asociadas también serán mayores.
Rectificadores trifásicos
Del esquema anterior es lógico pasar a un rectificador de tensión trifásica, montado sobre un principio similar.
La forma de la tensión de salida se acerca mucho más a una línea recta, el nivel de rizado es sólo del 14% y la frecuencia es igual al triple de la frecuencia de la tensión de red.
Aun así, la fuente de este circuito es un rectificador de medio período único, por lo que muchos de los inconvenientes no pueden evitarse ni siquiera con una fuente de tensión trifásica. El principal inconveniente es que el transformador no se aprovecha al máximo, y el CEM medio es de 1,17⋅E2eff (CEM secundario efectivo del transformador).
Los mejores parámetros vienen dados por el circuito de puente trifásico.
Aquí, la amplitud del rizado de la tensión de salida es el mismo 14%, pero la frecuencia es igual a la frecuencia inferior de la tensión de entrada de CA, por lo que la capacitancia del condensador de filtro será la más pequeña de todas las opciones presentadas. Y el CEM de salida será el doble que en el circuito anterior.
El rectificador se utiliza con un transformador que tiene una salida en estrella, pero la misma disposición de la válvula será mucho menos eficaz con un transformador de salida en triángulo.
Aquí la amplitud y la frecuencia de la ondulación es la misma que en la disposición anterior. Sin embargo, el CEM medio es un factor de dos menos que el del circuito anterior. Por lo tanto, esta conexión se utiliza raramente.
Rectificadores con multiplicación de tensión
Es posible construir un rectificador cuya tensión de salida sea un múltiplo de la tensión de entrada. Por ejemplo, hay circuitos con duplicación de voltaje:
Aquí, el condensador C1 se carga durante el semiciclo negativo y se conmuta en serie con la onda positiva de la onda sinusoidal de entrada. La desventaja de esta construcción es la baja capacidad de carga del rectificador y el hecho de que el condensador C2 está por debajo del doble del valor de la tensión. Por lo tanto, dicho esquema se utiliza en la radioingeniería para rectificar con duplicación de señales de baja potencia para los detectores de amplitud, como cuerpo de medición en los circuitos de control de ganancia automática, etc.
En la ingeniería eléctrica y la electrónica de potencia se utiliza otra variante del circuito de duplicación.
Un doblador montado según el circuito de Latour tiene una gran capacidad de carga. Cada uno de los condensadores está por debajo de la tensión de entrada, por lo que en términos de masa y dimensiones esta variante también gana a la anterior. El condensador C1 se carga durante el semiperiodo positivo y C2 durante el semiperiodo negativo. Los condensadores están conectados en serie y en paralelo a la carga, por lo que la tensión a través de la carga es la suma de de las tensiones de los condensadores cargados. La frecuencia del rizado es igual al doble de la frecuencia de la tensión de línea, y la magnitud depende de en el valor de la capacitancia. Cuanto mayor sea la capacitancia, menor será el rizado. También aquí hay que encontrar un compromiso razonable.
La desventaja de este circuito es que uno de los terminales de carga no debe estar conectado a tierra - en este caso uno de los diodos o condensadores estará en cortocircuito.
Este circuito se puede conectar en cascada cualquier número de veces. Así, repitiendo el principio de conmutación dos veces, es posible obtener un circuito con cuadruplicación de la tensión, etc.
El primer condensador del circuito debe ser capaz de soportar la tensión de la fuente de alimentación, los demás deben ser capaces de soportar el doble de la tensión de alimentación. Todas las compuertas deben estar preparadas para el doble de la tensión inversa. Por supuesto, para que el circuito funcione de forma fiable, todos los parámetros deben tener un margen de al menos el 20%.
Si no se dispone de diodos adecuados, pueden conectarse en serie, lo que aumentará en un múltiplo la tensión máxima admisible. Pero en paralelo a cada diodo, hay que incluir resistencias de ecualización. Esto debe hacerse porque, de lo contrario, la tensión inversa puede distribuirse de forma desigual entre los diodos debido a la variación de los parámetros de la puerta. Esto puede hacer que se supere el valor más alto de uno de los diodos. Y si cada elemento de la cadena se puentea con una resistencia (su capacidad debe ser la misma), entonces la tensión inversa se distribuirá estrictamente por igual. La resistencia de cada resistencia debe ser unas 10 veces menor que la resistencia inversa del diodo. En este caso, el efecto de los elementos adicionales en el funcionamiento del circuito será mínimo.
La conexión en paralelo de los diodos en este circuito apenas es necesaria, las corrientes no son elevadas. Pero puede ser útil en otros circuitos rectificadores en los que la carga consume mucha potencia. La conexión en paralelo multiplica la corriente admisible a través de la válvula, pero estropea la variación de los parámetros. Como resultado, un diodo puede tomar la mayor cantidad de corriente y no ser capaz de manejarla. Para evitarlo, se coloca una resistencia en serie con cada diodo.
El valor de la resistencia se elige de forma que, con la corriente máxima, la caída de tensión a través de ella sea de 1 voltio. Así, para una corriente de 1 A, la resistencia debe ser de 1 ohmio. La potencia en este caso debe ser de al menos 1 W.
En teoría, la multiplicidad de la tensión puede aumentar hasta el infinito. En la práctica, recuerde que la capacidad de carga de estos rectificadores disminuye considerablemente con cada etapa adicional. El resultado puede ser una situación en la que la caída de tensión en la carga supere la multiplicidad de la multiplicación y haga inútil el rectificador. Esta desventaja es común a todos estos circuitos.
A menudo, estos multiplicadores de tensión se fabrican como un único módulo con un buen aislamiento. Estos dispositivos se han utilizado, por ejemplo, para generar alta tensión en televisores u osciloscopios con un tubo de rayos catódicos como monitor. También se conocen los circuitos de duplicación que utilizan inductores, pero no se han generalizado: las piezas de bobinado son difíciles de fabricar y su funcionamiento no es muy fiable.
Hay bastantes esquemas de rectificadores disponibles. Dada la amplia gama de aplicaciones de esta unidad, es importante abordar la selección del circuito y el cálculo de los elementos de forma consciente. Sólo así se garantiza un funcionamiento duradero y fiable.
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