Rectificación monofásica y polifásica. Filtrado. Análisis comparativo de las características de Ripple y regulación.
Temas relacionados : Corriente alternada. Fase , ángulo de fase y diferencia de fase . Reactancia .
Una
fuente de alimentación de corriente contínua convierte la energía de corriente alterna de la red de distribución en una tensión de corriente continua de valor dado. Según los requerimientos impuestos a ésta respecto de la constancia y estabilidad de su tensión la implementación puede consistir en simplemente un sistema de rectificación incorporar un circuito de filtrado o completar el sistema, en los casos que se requiere mayor precisión, con un sistema de regulación electrónico.
Figura 1.
La tensión de salida de una fuente de alimentación está caracterizada por un valor de tensión continua (valor medio) y una componente de ondulación (ripple).
Figura 2.
El ripple es una variación indeseada de la tensión de salida que está relacionado con la frecuencia de la tensión alterna que alimenta a la fuente. Se lo expresa en general como porcentaje de ripple y se lo define como el valor eficaz de la tensión alterna a la salida de la fuente de alimentación referido a la tensión contiua por cien.
Otro parámetro importante que caracteriza a una fuente de alimentación es la regulación, esta puede referirse a dos causas diferentes:
a) la regulación de carga caracteriza el comportamiento de la fuente ante diferentes condiciones de carga. Se define en % según la siguiente expresión:
Donde
V0 es la tensión de la fuente en vacío y VN es la tensión a carga o nominal.
Este parámetro es un reflejo de la resistencia interna de la fuente dado que la diferencia V0- VN se origina justamente en dicha resistencia.
El valor de la resistencia interna de una fuente puede calcularse como el cociente entre la tensión en vacío y la corriente de cortocircuito de la misma.
b) La regulación de línea se refiere a las variaciones de tensión producidas a la salida debidas a variaciones en la tensión de entrada considerando la carga constante.
RECTIFICACION
Existen diversas maneras para la implementación del sistema de rectificación; la elección depende de cada aplicación particular y es función de las magnitudes de tensión y corriente de corriente continua, del valor de ripple tolerado y del tipo de distribución de corriente alterna disponible (monofásica, trifásica etc.).
En la figura 3 se grafica un circuito rectificador generalizado alimentado por n tensiones alternas, (E1, E2 ... En) respecto al neutro o referencia E0. La carga RL está conectada al punto de unión de los rectificadores y por lo tanto la circulación de corriente es, en cada instante, desde la red a través del o los rectificadores correspondientes hacia la carga retornando a la red por la referencia.
Figura 3
La tensión de corriente continua que se desarrollará sobre la carga depende de las tensiones de entrada y será instante a instante, considerando rectificadores ideales igual a la mayor de ellas o cero en caso que ninguna de estas sea positiva. Esto surge por simple inspección del circuito ya ue en cada instante la mayor de las tensiones pondffa en conducción al diodo conectado a ella y por lo tanto impondría su tensión a la carga. En la figura 4 se ilustra lo antedicho para tres tensiones de entrada E1, E2, E3 cualesquiera. En lo sucesivo nos referiremos a este circuito como rectificador de valor maximo positivo.
Figura 4
La figura 5 ilustra el circuito de un rectificador igual al anterior pero con los rectificadores invertidos, como consecuencia de esto, la tensión de salida será negativa e igual a la menor de ellas en cada instante ver 6.
Figura 5
Figura 6
Puente de diodos
- A la salida del puente, se obtiene una señal rectificada
de doble onda, pero con factor de rizado
grande. Si disponemos de un condensador a la salida, el factor
de rizado disminuye
considerablemente.
Fig.
: Puente de diodos de doble onda con condensador de salida para
atenuar el rizado
Diodos Zener
Si un diodo tiene polarización inversa, no conducirá corriente. Sin embargo, si se aumenta el voltaje inverso, se alcanzará un nivel de voltaje en el que el diodo conducirá en la dirección inversa. Este nivel de voltaje se conoce como voltaje Zener. La corriente inversa puede destruir un diodo tipo PN simple. Pero éste diodo se puede dopar con materiales que resistirán la corriente inversa.
Un diodo Zener está diseñado para operar en polarización inversa en la región de ruptura. En el punto en que se alcanza el voltaje de ruptura, fluye una gran corriente en polarización inversa. Esto evita que el voltaje suba más. Esto hace que el diodo Zener sea un excelente componente para regular el voltaje. Si el diodo Zener tiene una capacidad nominal de 15 voltios, no conducirá en polarización inversa mientras el voltaje sea inferior a 15 voltios. A 15 voltios conducirá y el voltaje no aumentará más de 15 voltios.
Fig. Circuito de indicador de instrumento simplificado que utiliza un diodo Zener
para mantener un voltaje constante en el indicador. Tenga en cuenta el símbolo
utilizado para un diodo Zener.
La ilustración muestra un circuito simplificado que tiene un diodo Zener para proporcionar un nivel de voltaje constante al indicador del instrumento. En este ejemplo, el diodo Zener está conectado en serie con la resistencia y en paralelo con el indicador. Si el voltaje del indicador debe limitarse a 7 voltios, el diodo Zener utilizado tendría que tener un régimen nominal de 7 voltios. El diodo Zener mantiene una caída de voltaje constante, y la caída de voltaje total en un circuito en serie debe ser igual a la cantidad de voltaje de la fuente, por lo tanto, el voltaje que es mayor al voltaje de Zener deberá caer sobre la resistencia. Aunque el voltaje de la fuente puede variar (como resultado normal del sistema de carga), haciendo que diferentes corrientes fluyan a través de la resistencia y el diodo Zener, el voltaje que cae en el diodo Zener sigue siendo el mismo.
El Zener se dispara cuando el voltaje del sistema alcanza los 7 voltios. En este punto, el diodo Zener conduce corriente inversa, provocando una caída de tensión adicional en la resistencia. La cantidad de voltaje para el indicador del instrumento permanecerá en 7 voltios porque el diodo Zener “hace” que la resistencia haga disipe el voltaje adicional para mantener este límite.
Aquí vemos la diferencia entre el diodo estándar y el diodo Zener. Cuando el diodo Zener tiene polarización inversa, el Zener mantiene el voltaje disponible en un valor específico.
Ejemplo:
Supongamos una fuente de alimentación
de CC con una tensión de salida de 9 V, que alimenta una
carga RL de 10 - 100 Ω a una tensión de 6 V. Vamos a calcular el valor de
la resistencia, Rs que hay que colocar
para que no se destruya el
diodo Zener (VZ= 6 V y PZmax = 10 W).
Realizando los cálculos para el caso más desfavorable, resulta:
La máxima intensidad Zener será:
La corriente Zener de trabajo se
fija en un 10% de lzmax:
Situaremos, por tanto, una resistencia
de 5 Ω
y 2 W.
Circuitos rectificadores monofasicos.
En la figura 7 se ilustran los circuitos rectificadores monofásicos comumente usados.
igura: ejemplo de circuito rectificador media onda, con imagen de osciloscopio, verificado por NI Multisim
Figura: ejemplo de circuito rectificador onda completa, con imagen de osciloscopio, verificado por NI Multisim
En a y b. se trata de rectificadores de valor máximo positivo mientras que en c se combina un rectificador de valor maximo positivo con uno de valor mínimo negativo.
Al circuito ilustrado en 7 a se lo denomina rectificador de media onda ya que el rectificador solo conduce durante el semiciclo positivo de la tensión de entrada. En la figura 8 a se muestra la forma de onda de la tensión de salida para una entrada senoidal.
Los circuitos mostrados en b y c son rectificadores de onda completa porque el sistema rectificador conduce corriente hacia la carga durante los semiciclos positivos y negativos de la onda de entrada -ver figura 8 b. El primero de estos utiliza un transformador con punto medio para obtener dos ondas desfasadas 180º las que son aplicadas al rectificador de valor máximo positivo constituido por D1 y D2 luego el pico de la tensión de salida es igual al pico de la tensión en la mitad del secundario del transformador (ET).
El otro circuito no tiene derivación media en el secundario, se lo denomina puente rectificador y como se ha dicho puede analizarse como un circuito rectificador de valor máximo positivo y otro de valor mínimo negativo aplicados cada uno a un extremo de la resistencia de carga.
Figura 8
Consideremos arbitrariamente el punto medio del transformador como referencia de tensión, en ese caso el circuito rectificador es el de la figura 9 a con las formas de onda indicadas en 9 b donde
Figura 9
Instantaneamente la tensión aplicada a RL será la diferencia entre el rectificador de máximo positivo y el de mínimo negativo o sea la diferencia entre las curvas positiva y negativa, indicadas en la figura 9 b, obviamente una onda rectificada en forma completa con valor máximo igual a ET max.
Evidentemente a esta conclusión puede arrivarse por caminos mucho más sencillos pero este método tiene la ventaja de ser general y por lo tanto es aplicable a circuitos con mayor número de fases los que podrán razonarse facilmente siguien do estos conceptos.
De los circuitos vistos, el rectificador de media onda se utiliza muy escasamente debido al elevado porcentaje de ripple que presenta y porque si se utiliza un transformador, para adecuar la tensión de red a la requerida, por el secundario de éste circula corriente en un solo sentido pudiendo provocar la saturación del núcleo con el consiguiente aumento de pérdidas y la aparición de armónicas. Por estas razones este circuito se utiliza solo en aquellos casos en que la alimentación puede tomarse directamente desde la red y donde el factor económico es preponderante.
Contrariamente los dos circuitos de onda completa mostrados son ampliamente utilizados; presentan un porcentaje de ripple de aproximadamente 65% respecto del circuito de media onda y la relación tensión media -tensión pico es el doble. En estos circuitos, cada uno de los diodos conduce la mitad de la corriente total y el rectificador en puente, con respecto del que utiliza transformador con punto medio, presenta las ventajas de requerir un transformador de la mitad de la tensión y de someter a los diodos a la mitad de la tensión de pico inversa, pero en cambio requiere dos rectificadores más y debido a la caída de tensión en éstos su rendimiento es menor.
Circuitos rectificadores trifásicos.
Tema relacionado : Circuitos trifásicos
Se utilizan fundamentalmente en altas potencias. Las ventajas de aumentar el número de fases son:
a) Mayor tensión de salida para igual tensión de entrada.
b) Menor ripple
c) Mayor eficiencia
Media onda trifásica.
En la figura 10 se muestra este circuito que es el más simple posible. El secundario conectado en estrella provee las tres tensiones respecto al punto central utilizado como retorno para la carga.
Se trata pues de un circuito rectificado de valor máximo positivo. En
la figura 11 se muestran las formas de onda de tensión correspondientes, cada uno de los rectificadores conduce un tercio de período por ciclo (120°) o sea la tercera parte de la corriente total. La frecuencia de ripple es igual al triple de la frecuencia de red y la tensión que deben soportar los rectificadores es
La tensión de ripple de este circuito es levemente superior a 1/3 de la que se obtiene con un circuito rectificador de onda completa monofásico.
Figura: ejemplo de circuito rectificador de media onda trifásica, con imagen de osciloscopio, verificado por NI Multisim
Puente rectificador trifásico.
Es el circuito más comunmente usado para rectificación de alta potencia, ver figura 12. Como el puente rectificador monofásico se trata de la combinación de un circuito rectificador de valor máximo positivo formado por D1, D3 y D5 y otro de valor mínimo negativo constituído por D2, D4 y D6
Figura 11
Figura 12
En la figura 13 se grafican las formas de donda para este circuito.
Figura: ejemplo de circuito rectificador trifásico de onda completa trifásica, verificado por NI Multisim
Cada rectificador conduce durante 120º por ciclo o sea un tercio de la corriente media total.
Figura 13
El ripple tiene una frecuencia seis veces mayor que la de la red y , su valor es sumamente bajo ( 4 %).
El valor de la tensión continua obtenido con este circuito es uno de los más altos para una dada tensión eficaz de entrada.
Doble puente.
Consiste en un transformador con dos secundarios trifasicos conectados uno en estrella y el otro en triángulo con una relación de vueltas entre ambas ternas igual a √3 de modo que ambas tensiones de linea sean iguales. Cada secundario alimenta un puente rectificador cuyos terminales de salida están unidos (ver Figura 14. )
Entre ambas ternas, existe un desfasaje de 30º obteniéndose una salida de continua practicamente igual al pico de la tensión secundaria y un ripple menor que el 1% con una frecuencia doce veces mayor que la de red.
Circuito diametrico exafásico.
Consiste en utilizar un transformador trifásico con punto medio en las bobinas del secundario. Si dichos puntos se refieren a un terminal común queda formada una fuente exafásica que se rectifica con un circuito de valor máximo positivo (figura 15 a.)
Figura 14
Figura 15 (a)
En la figura 15(b) pueden verse las formas de onda correspondientes. Cada diodo conduce 60° por ciclo y por lo tanto 1/6 de la corriente media total debido a que requiere un secundario de mayor tensión su uso se limita a baja potencia, aunque tiene la ventaja de que todos los rectificadores poseen un terminal común siendo muy sencillo su montaje en el disipador.
Figura 15 (b)
Doble estrella con reactor interfásico media onda
En la figura 16 se ilustra este circuito. Posee dos secundarios en estrella desfasados 60° con sus puntos neutros conectados a través de un reactor interfásico o bobina de compensación. La rectificación se efectúa mediante un circuito de máxima positiva y la carga se retorna al punto medio del reactor.
Figura 16
Dado que la corriente de carga retorna por el reactor interfásico sobre este se induce una f.e.m. de frecuencia igual al triple de la de red que se suma a una estrella y se resta a la otra. De esta manera se logra la conducción simultánea de dos diodos (uno de cada terna) obteniéndose una tensión continua cuyo valor medio es igual al promedio de las dos ternas. (ver figura 17).
Figura 17
Así cada diodo conduce durante 120º la sexta parte de la corriente total pudiendo utilizarse rectificadores con bajo régimen de corriente pico, aunque deben soportar una tensión inversa algo mayor. Su uso se limita a aquellos casos en que la reducción del régimen de corriente de los rectificadores justifica el uso de un reactor interfásico. A bajas corrientes el circuito se convierte en un sistema de rectificación trifásico con punto medio con el consiguiente incremento de la tensión de salida.
Estrella -triángulo onda completa con reactor interfásico.
En la figura 18 se grafica un sistema de rectificación de muy bajo ripple. El transformador posee dos secundarios, uno conectado en estrella y otro en triángulo siendo la relación de tensión de fase de ambos 1: √3 respectivamente. De este modo se obtienen dos ternas desfasadas 30º las que rectificadas en onda comoleta producen una tensión continua casi exenta de ripple y cuya frecuencia es doce veces la de red.
La corriente media por cada diodo es un sexto de la corriente de salida.
Figura 18
El sistema puede incluir reactor interfásico, como el graficado, o no. En el primer caso el ángulo de conducción de los rectificadores es 120º mientras en el segundo solo 60º Se consigue por consiguiente aquí tambien con el uso del reactor interfásico reducir el régimen de corriente pico para los rectificadores.
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