Diagrama de circuito del rectificador de media onda y principio de funcionamiento

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¿Qué es el rectificador de media onda?

¿Qué es un rectificador de media onda?

Un rectificador de media onda se define como un tipo de rectificador que solo permite que pase un medio ciclo de una forma de onda de voltaje de CA , bloqueando el otro medio ciclo. Los rectificadores de media onda se utilizan para convertir voltaje CA en voltaje CC y solo requieren un solo diodo para su construcción.

Un rectificador es un dispositivo que convierte la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Se realiza mediante el uso de un diodo o un grupo de diodos. Los rectificadores de media onda usan un diodo, mientras que un rectificador de onda completa usa múltiples diodos.

El funcionamiento de un rectificador de media onda aprovecha el hecho de que los diodos solo permiten que la corriente fluya en una dirección.

Teoría del rectificador de media onda

Un rectificador de media onda es la forma más simple de rectificador disponible. Más adelante veremos un circuito rectificador de media onda completo, pero primero entendamos exactamente qué está haciendo este tipo de rectificador.

El siguiente diagrama ilustra el principio básico de un rectificador de media onda. Cuando una forma de onda de CA estándar pasa a través de un rectificador de media onda, solo queda la mitad de la forma de onda de CA. Los rectificadores de media onda solo permiten un medio ciclo (medio ciclo positivo o negativo) del voltaje de CA y bloquearán el otro medio ciclo en el lado de CC, como se ve a continuación.

Teoría del rectificador de media onda

Solo se requiere un diodo para construir un rectificador de media onda. En esencia, esto es todo lo que hace el rectificador de media onda.

Dado que los sistemas de CC están diseñados para que la corriente fluya en una sola dirección (y voltaje constante, que describiremos más adelante), colocar una forma de onda de CA con ciclos positivos y negativos a través de un dispositivo de CC puede tener consecuencias destructivas (y peligrosas). Por lo tanto, utilizamos rectificadores de media onda para convertir la potencia de entrada de CA en potencia de salida de CC.

Pero el diodo es solo una parte: un circuito rectificador de media onda completo consta de 3 partes principales:

  1. Un transformador
  2. Una carga resistiva
  3. Un diodo

Un diagrama de circuito rectificador de media onda se ve así:

Ahora veremos el proceso de cómo un rectificador de media onda convierte un voltaje de CA en una salida de CC.

Primero, se aplica un alto voltaje de CA al lado primario del transformador reductor y obtendremos un voltaje bajo en el devanado secundario que se aplicará al diodo.

Durante el semiciclo positivo del voltaje de CA, el diodo estará polarizado hacia adelante y la corriente fluirá a través del diodo. Durante el semiciclo negativo del voltaje de CA, el diodo tendrá polarización inversa y el flujo de corriente se bloqueará. La forma de onda de voltaje de salida final en el lado secundario (CC) se muestra en la figura 3 anterior.

Esto puede ser confuso a primera vista, así que profundicemos un poco más en la teoría de esto.

Nos centraremos en el lado secundario del circuito. Si reemplazamos las bobinas del transformador secundario con una fuente de voltaje, podemos simplificar el diagrama del circuito del rectificador de media onda como:

Ahora no tenemos la parte del transformador del circuito que nos distraiga.

Para el semiciclo positivo del voltaje de la fuente de CA, el circuito equivalente se convierte efectivamente en:

Esto se debe a que el diodo tiene polarización directa y, por lo tanto, permite que pase la corriente. Entonces tenemos un circuito cerrado.

Pero para el semiciclo negativo del voltaje de la fuente de CA, el circuito equivalente se convierte en:

Debido a que el diodo está ahora en modo de polarización inversa , no puede pasar corriente a través de él. Como tal, ahora tenemos un circuito abierto. Dado que la corriente no puede fluir a través de la carga durante este tiempo, el voltaje de salida es igual a cero.

Todo esto sucede muy rápidamente, ya que una forma de onda de CA oscilará entre positivo y negativo muchas veces por segundo (dependiendo de la frecuencia).

Así es como se ve la forma de onda del rectificador de media onda en el lado de entrada (V in ) y cómo se ve en el lado de salida (V out ) después de la rectificación (es decir, conversión de CA a CC):

El gráfico de arriba muestra en realidad un rectificador de media onda positiva. Este es un rectificador de media onda que solo permite los semiciclos positivos a través del diodo y bloquea el semiciclo negativo.

La forma de onda de voltaje antes y después de un rectificador de media onda positiva se muestra en la figura 4 a continuación.

Por el contrario, un rectificador de media onda negativa solo permitirá semiciclos negativos a través del diodo y bloqueará el semiciclo positivo. La única diferencia entre un rectificador de media onda positiva y negativa es la dirección del diodo.

Como puede ver en la figura 5 a continuación, el diodo ahora está en la dirección opuesta. Por lo tanto, el diodo ahora estará polarizado hacia adelante solo cuando la forma de onda de CA esté en su semiciclo negativo.

Filtro de condensador rectificador de media onda

La forma de onda de salida que hemos obtenido de la teoría anterior es una forma de onda de CC pulsante. Esto es lo que se obtiene al utilizar un rectificador de media onda sin filtro.

Los filtros son componentes que se utilizan para convertir (suavizar) formas de onda de CC pulsantes en formas de onda de CC constantes. Lo logran suprimiendo las ondulaciones de CC en la forma de onda.

Aunque los rectificadores de media onda sin filtros son teóricamente posibles, no se pueden utilizar para ninguna aplicación práctica. Dado que los equipos de CC requieren una forma de onda constante, necesitamos «suavizar» esta forma de onda pulsante para que tenga algún uso en el mundo real.

Por eso, en realidad utilizamos rectificadores de media onda con filtro. Se puede utilizar un condensador o un inductor como filtro, pero el rectificador de media onda con filtro de condensador es el más utilizado.

El diagrama de circuito a continuación muestra cómo se puede usar un filtro capacitivo para suavizar una forma de onda de CC pulsante en una forma de onda de CC constante.

Fórmula rectificadora de media onda

Ahora derivaremos las diversas fórmulas para un rectificador de media onda basadas en la teoría y los gráficos anteriores.

Factor de ondulación del rectificador de media onda

‘Ondulación’ es el componente de CA no deseado que queda al convertir la forma de onda de voltaje de CA en una forma de onda de CC. Aunque hacemos todo lo posible para eliminar todos los componentes de CA, todavía queda una pequeña cantidad en el lado de salida que pulsa la forma de onda de CC. Este componente de CA indeseable se llama «ondulación».

Para cuantificar qué tan bien el rectificador de media onda puede convertir el voltaje de CA en voltaje de CC, usamos lo que se conoce como factor de ondulación (representado por γ o r). El factor de ondulación es la relación entre el valor eficaz de la tensión CA (en el lado de entrada) y la tensión CC (en el lado de salida) del rectificador.

La fórmula para el factor de ondulación es:

Que también se puede reorganizar para que sea igual a:

El factor de ondulación del rectificador de media onda es igual a 1,21 (es decir, γ = 1,21).

Tenga en cuenta que para que podamos construir un buen rectificador, queremos mantener el factor de ondulación lo más bajo posible. Es por eso que usamos condensadores e inductores como filtros para reducir las ondulaciones en el circuito.

Eficiencia del rectificador de media onda

La eficiencia del rectificador (η) es la relación entre la potencia de CC de salida y la potencia de CA de entrada. La fórmula de la eficiencia es igual a:

La eficiencia de un rectificador de media onda es igual al 40,6% (es decir, η max = 40,6%)

Valor RMS del rectificador de media onda

Para derivar el valor RMS del rectificador de media onda, necesitamos calcular la corriente a través de la carga. Si la corriente de carga instantánea es igual a i L = I m sinωt, entonces el promedio de la corriente de carga (I DC ) es igual a:

Donde I m es igual al pico de corriente instantánea a través de la carga (I max ). Por lo tanto, la corriente CC de salida (I CC ) obtenida a través de la carga es:

Para un rectificador de media onda, la corriente de carga RMS (I rms ) es igual a la corriente promedio (I DC ) múltiple por π / 2. Por lo tanto, el valor RMS de la corriente de carga (I rms ) para un rectificador de media onda es:

 begin {ecuación *} I_ {rms} =  frac {I_ {m}} {2}  end {ecuación *}

Donde I m = I max, que es igual a la corriente instantánea máxima a través de la carga.

Tensión inversa pico de la mitad rectificador de onda

El voltaje pico inverso (PIV) es el voltaje máximo que el diodo puede soportar durante la condición de polarización inversa. Si se aplica un voltaje superior al PIV, el diodo se destruirá.

Factor de forma del rectificador de media onda

El factor de forma (FF) es la relación entre el valor RMS y el valor promedio, como se muestra en la siguiente fórmula:

El factor de forma de un rectificador de media onda es igual a 1,57 (es decir, FF = 1,57).

Voltaje DC de salida

El voltaje de salida (V CC ) a través de la resistencia de carga se indica mediante:

Aplicaciones del rectificador de media onda

Los rectificadores de media onda no se utilizan con tanta frecuencia como los rectificadores de onda completa . A pesar de esto, todavía tienen algunos usos:

  • Para aplicaciones de rectificación
  • Para aplicaciones de demodulación de señales
  • Para aplicaciones de pico de señal

Ventajas del rectificador de media onda

La principal ventaja de los rectificadores de media onda es su simplicidad. Como no requieren tantos componentes, son más simples y económicos de configurar y construir.

Como tal, las principales ventajas de los rectificadores de media onda son:

  • Simple (menor número de componentes)
  • Costo inicial más económico (ya que hay menos equipo. Aunque hay un costo más alto con el tiempo debido al aumento de las pérdidas de energía)

Desventajas del rectificador de media onda

Las desventajas de los rectificadores de media onda son:

  • Solo permiten un medio ciclo por onda sinusoidal, y el otro medio ciclo se desperdicia. Esto conduce a una pérdida de energía.
  • Producen un voltaje de salida bajo.
  • La corriente de salida que obtenemos no es puramente CC y todavía contiene mucha ondulación (es decir, tiene un factor de ondulación alto)

Rectificador trifásico de media onda

Toda la teoría anterior se ha referido a un rectificador de media onda monofásico. Aunque el principio de un rectificador de media onda trifásico es el mismo, las características son diferentes. La forma de onda, el factor de ondulación, la eficiencia y los valores de salida RMS no son los mismos.

El rectificador trifásico de media onda se utiliza para la conversión de energía CA trifásica en energía CC. Aquí los interruptores son diodos y, por lo tanto, son interruptores no controlados. Es decir, no hay forma de controlar los tiempos de encendido y apagado de estos interruptores.

El rectificador de diodo de media onda trifásico se construye generalmente con un suministro trifásico conectado a un transformador trifásico donde el devanado secundario del transformador siempre está conectado a través de una conexión en estrella . Esto se debe a que se requiere el punto neutro para conectar la carga de nuevo a los devanados secundarios del transformador , proporcionando una ruta de retorno para el flujo de energía.

A continuación se muestra una configuración típica de un rectificador de media onda trifásico que suministra una carga puramente resistiva. Aquí, cada fase del transformador se considera una fuente alterna individual. La simulación y medición de voltajes se muestran en el circuito a continuación. Aquí hemos conectado un voltímetro individual a través de cada fuente, así como a través de la carga.

Los voltajes trifásicos se muestran a continuación.

El voltaje a través de la carga resistiva se muestra a continuación. El voltaje se muestra en negro.

Entonces podemos ver en la figura anterior que el diodo D1 conduce cuando la fase R tiene un valor de voltaje superior al valor de voltaje de las otras dos fases, y esta condición comienza cuando la fase R está a 30 o y se repite después de cada ciclo completo. Es decir, la próxima vez que el diodo DI comience a conducir es a los 390 o . El diodo D2 reemplaza la conducción de D1 que deja de conducir en un ángulo de 150 ° porque en este instante el valor del voltaje en la fase B se vuelve más alto que los voltajes en las otras dos fases. Entonces, cada diodo conduce para un ángulo de 150 o – 30 o = 120 o .

Aquí, la forma de onda de la señal de voltaje CC resultante no es puramente CC, ya que no es plana, sino que contiene una ondulación. Y la frecuencia de la ondulación es 3 × 50 = 150 Hz.

El promedio del voltaje de salida a través de la carga resistiva está dado por

Dónde,

El valor RMS del voltaje de salida viene dado por

El voltaje de ondulación es igual a,

Y el factor de ondulación de voltaje es igual a,

La ecuación anterior muestra que la fluctuación de voltaje es significativa. Esto no es deseable ya que conduce a una pérdida de energía innecesaria.

Potencia de salida DC,

Potencia de entrada de CA,

Eficiencia,

Aunque la eficiencia del rectificador trifásico de media onda es aparentemente alta, sigue siendo menor que la eficiencia proporcionada por un rectificador trifásico de diodo de onda completa . Aunque los rectificadores trifásicos de media onda son más baratos, este ahorro de costes es insignificante en comparación con el dinero perdido en sus mayores pérdidas de potencia. Como tal, los rectificadores trifásicos de media onda no se utilizan comúnmente en la industria.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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