Cómo Funciona - Rectificación (ART1020S)

    Este artículo es una parte de nuestro Curso de Electrónica - Electrónica Básica y Curso de Electrónica - Electrónica de Potencia donde el lector puede encontrar informaciones adicionales sobre el funcionamiento de los diodos y de los circuitos rectificadores. En el ART1019S también tenemos una explicación sobre el funcionamiento de los diodos semiconductores.

Los diodos de mayor capacidad de corriente mayor tensión son básicamente usados en rectificación en las aplicaciones de potencia .

En nuestro Curso Básico explicamos cómo funcionan los circuitos rectificadores, sin embargo, vamos a revisar los conceptos, porque necesitamos ir más allá, porque en las aplicaciones del poder, es común que se utilicen en circuitos trifásicos.

Revisando lo básico, sabemos que en la rectificación las tres formas de utilizar los diodos son:

 

a) Rectificador de media onda

En este circuito, en los ciclos positivos de la tensión alterno en el secundario del transformador, el diodo se polariza en la dirección directa, para presentar resistencia baja y para dejar el paso de la corriente. Sin embargo, en los semiciclos negativos, el diodo se polariza en la dirección inversa y ninguna corriente puede pasar, como se muestra en la figura 1.

 

Figura 1 – Conducir sólo los semiciclos positivos
Figura 1 – Conducir sólo los semiciclos positivos

 

 

Vea entonces que, sólo pasa en los semiciclos positivo o corriente en una sola dirección. Esta corriente, aunque circula en un solo sentido, no es una corriente continua pura.

Está formada por "pulsos" que aparecen sólo en el instante en que el diodo se polariza en la dirección directa. Decimos que es una corriente continua pulsante.

Si invertimos el diodo como el lector puede ver la figura 2, tendremos el paso corriente solamente en los semiciclos negativos y todavía una corriente pulsante, pero de la dirección o de la polaridad revertida.

 

Figura 2 – Dejando pasar los hemiciclos negativos
Figura 2 – Dejando pasar los hemiciclos negativos

 

 

Como sólo la mitad de los semicírculos de la corriente alterna y conducida en este proceso, decimos que se trata de un proceso de rectificación de "media onda".

 

b) Rectificador de onda completa

Una manera de conseguir mayor eficiencia en la rectificación o " transformación de corriente alterna en continua ", es con el uso de dos diodos.

Eso es posible si usamos un transformador con una salida central y dos diodos, conectados como el lector puede ver la figura 3.

 

   Figura 3 – Uso de dos diodos
Figura 3 – Uso de dos diodos

 

 

Cuando el terminal A del transformador es positivo en relación con el CT, en los semiciclos positivos, el terminal B, al mismo tiempo es negativo respecto al CT.

De esta manera, mientras que en los semiciclos positivos de entrada, el diodo D1 se polariza en la dirección directa, el diodo D2 Se polarizará al revés. Luego conduce el diodo D1, como podemos ver en la figura 4.

 

Figura 4 – Conducción en los semiciclos positivos
Figura 4 – Conducción en los semiciclos positivos

 

 

En el semiciclo negativo de la tensión de entrada, las cosas se revierten. Mientras que A será negativo con respecto a CT, B será positivo, de modo que D1 se polarizará a la inversa y D2 directamente. Conduce D2, conforme se muestra en la figura 5, y la carga recibe su alimentación.

 

Figura 5 – Conducción en los semiciclos negativos
Figura 5 – Conducción en los semiciclos negativos

 

 

En otras palabras, en este proceso de rectificación se aprovecha toda la onda, por lo que se llama "rectificación de onda completa".

Vea que el transformador permite que el semiciclo negativo sea "invertido" también para ser aprovechado.

Es evidente que este proceso de rectificación presenta una eficiencia que es el doble de la anterior, y por tanto muchas ventajas de uso.

Tenga en cuenta que todavía tenemos una corriente continua pulsátil en la carga, aunque tiene variaciones "menores" que en el caso anterior.

 

c) Rectificador en Puente

Una manera de obtener una rectificación completa de la onda con el uso de un transformador común, es decir con secundario simple, sin la toma central es posible con el uso de 4 diodos, es decir un puente de diodos, según lo demostrado en la figura 6.

 

Figura 6 – Utilizando un puente de diodos (Puente de Graetz)
Figura 6 – Utilizando un puente de diodos (Puente de Graetz)

 

 

Veamos cómo funciona este sistema "rectificador en puente": en los ciclos positivos, el terminal A del transformador es positivo en relación con el terminal B.

De esta manera los diodos D2 y D3 se polarizan en la dirección directa, dirigiendo la corriente. Se puede ver en la figura 7.

 

Figura 7 – Conducción del puente en el semiciclo positivo
Figura 7 – Conducción del puente en el semiciclo positivo

 

 

En los semiciclos negativos, se polarizan en la dirección directa de los diodos D1 y D4 Que luego conducen la corriente como se muestra en la figura 8.

 

Figura 8  -   Corriente en los semiciclos negativos
Figura 8 - Corriente en los semiciclos negativos

 

 

Es importante notar que, en este sistema, la corriente en cada semiciclo pasa a través de dos diodos, en lugar de un solo, igual que los otros. Eso significa que tenemos una caída de tensión más alta en el sistema de rectificación.

Así que mientras que en el sistema de onda completa "perdimos" sólo 0.6 V en el diodo de silicio, en este sistema "perdimos" 1.2 V. Está claro que las ventajas de este sistema pueden ser compensadas simplemente usando un transformador que tiene una tensión secundaria un poco más grande.

 

Puente de Gratez

Se pueden obtener componentes que contengan los 4 diodos conectados en la forma de onda, facilitando su uso en fuentes, como la que aparece en la figura de abajo. Puente del diodo (Graetz)

 


 

 

 

Sin embargo, en aplicaciones de potencia, es más común utilizar fuentes trifásicas de energía eléctrica. Esto ocurre principalmente en la industria.

Para la rectificación trifásica podemos utilizar los diodos en la configuración indicada en la figura 9.

 

Figura 9 – Retificador trifásico de onda completa
Figura 9 – Retificador trifásico de onda completa

 

 

En este circuito se utilizan seis diodos en una configuración en la que cada instante dos diodos conducen.

En la figura 10 tenemos la corriente pulsante obtenida en el circuito rectificador. Vea que usando un sistema trifásico la ondulación es menor que lo que encontramos en un sistema rectificador de onda media o completa en dos fases.

 

   Figura 10 – Corriente de entrada de un rectificador trifásico y corriente de ondulación
Figura 10 – Corriente de entrada de un rectificador trifásico y corriente de ondulación

 

 

Una configuración interesante consiste en un sistema rectificador de 6 fases, que se muestra en la figura 11.

 

Figura 11 –Rectificador de seis fases
Figura 11 –Rectificador de seis fases

 

 

Estas configuraciones también se pueden encontrar en los automóviles, para rectificar la corriente obtenida de los alternadores.

 

Diodos en paralelo

Es común pensar que la simple conexión de diodos en paralelo aumenta la capacidad de un sistema rectificador sin problemas.

Sin embargo, este problema de obtener mayor capacidad de corriente no se resuelve de manera tan sencilla.

Los diodos, incluso del mismo tipo, no tienen exactamente las mismas características. Las pequeñas diferencias existen de un a otro y esto significa que, si conectamos los diodos en paralelo, la corriente no se divide equitativamente entre ellas.

Debido a las pequeñas diferencias en la tensión directa (VF) uno de los diodos conduce antes o más que el otro y el resultado de eso es una diferencia entre las corrientes que pasan a través de estos componentes.

Así, como se muestra en la figura 12, si queremos utilizar dos diodos 1 A para rectificar una corriente de 2 A, conectándolos en paralelo, la corriente será diferente y uno de ellos se quemará (D1) por estar sobrecargado.

 

Figura 12 – La corriente no se divide equitativamente entre los diodos
Figura 12 – La corriente no se divide equitativamente entre los diodos

 

 

Para evitar este problema lo que se hace es conectar en serie con cada diodo un resistor de bajo valor (tanto menor cuanto la intensidad de la corriente), con el fin de distribuir mejor la corriente.

Los diodos, como se muestra en la figura 13, normalmente pueden tener valores entre 0,1 y 1 ohm para las corrientes en el rango 1 a 5 A.

 

Figura 13 – Mejor distribución de la corriente entre diodos
Figura 13 – Mejor distribución de la corriente entre diodos

 

 

Vea que este procedimiento también se adopta cuando conectamos en paralelo a los reguladores de voltaje.

 

Diodos en serie

Podemos conectar los diodos en serie con la finalidade de alcanzar una mayor tensión inversao. Por ejemplo, en teoría, dos diodos de 200 V pueden soportar una tensión inversa de 400 V.

Esto no ocurre en la práctica, porque la corriente reversa de fuga de los diodos es diferente, y esto causa en la polarización inversa, que las tensiones se rompen irregularmente.

Así, aplicando 500 V en dos diodos de la serie, puede ocurrir que incluso si son iguales en la especificación (1N5404, por ejemplo), la tensión inversa divide de modo que uno consiga 240 V y el otro con 260 V y esto puede causar sobrecarga de uno de ellos.

Podemos evitar este problema conectando en paralelo con los diodos resistores apropiados relacionados con el valor que ayudan a emparejar la división de tensión. Resistores de 10K a 22K se puede usar en esta aplicación, como se muestra en la figura 14.

 

   Figura 14 – Uso de los resistores para distribuir la tensión en los diodos de serie
Figura 14 – Uso de los resistores para distribuir la tensión en los diodos de serie

 

 

Surtos de Corriente

En las fuentes de alimentación en las que después del diodo rectificador encontramos un capacitor de muy alto valor, se produce un problema que hay que evitar, especialmente cuando la corriente involucrada es intensa.

Al conectar la fuente, el capacitor descargado se comporta como un cortocircuito lo que significa que una corriente muy intensa puede circular.

Si esta corriente sobrepasa el valor de la corriente máxima de surto (IFSM), el diodo puede quemar.

Aunque las cifras implicadas son altas, para el 1N5404 de 3 A, el IFSM es 200 A, cuando la tensión se establece en el circuito, si el transformador tiene una capacidad muy grande de corriente, los problemas pueden ocurrir.

Una forma de evitar este problema es conectar en serie con el diodo un resistor de valor bajo, calculado para limitar la corriente en caso de cortocircuito, a un valor inferior al IFSM, como se muestra en la figura 15.

 

Figura 15 – Diodo de protección contra sobretensiones
Figura 15 – Diodo de protección contra sobretensiones

 

 

El resistor debe ser de alambre de capacidad de disipación compatible con la corriente, recordando que la corriente más intensa sólo ocurre por un instante y debe ser calculada de modo que en cortocircuito el diodo y el capacitor, el surto sea menor que el IFSM especificada para el componente.