Diodos de potencia y rectificadores

Los diodos de potencia son uniones PN semiconductoras capaces de pasar grandes corrientes a valores de alto voltaje para su uso en circuitos rectificadores.

En los tutoriales anteriores vimos que un diodo de señal semiconductor solo conducirá corriente en una dirección desde su ánodo hasta su cátodo ( dirección de avance), pero no en la dirección inversa actuando un poco como una válvula eléctrica unidireccional.

Una aplicación ampliamente utilizada de esta característica y de los diodos en general es la conversión de una tensión alterna (CA) en una tensión continua (CC). En otras palabras, Rectificación.

Pero los diodos de señal pequeños también se pueden usar como rectificadores o aplicaciones de baja potencia y baja corriente (menos de 1 amperio), pero donde están involucradas corrientes de polarización directa más grandes o voltajes de bloqueo de polarización inversa más altos, la unión PN de un diodo de señal pequeño eventualmente se sobrecalentaría y derretiría, por lo que en su lugar grandes y robustos diodos de potencia se utilizan.

El diodo semiconductor de potencia, conocido simplemente como diodo de potencia, tiene un área de unión PN mucho más grande en comparación con su primo diodo de señal más pequeño, lo que resulta en una alta capacidad de corriente directa de hasta varios cientos de amperios (KA) y un voltaje de bloqueo inverso de hasta a varios miles de voltios (KV).

Dado que el diodo de potencia tiene una unión PN grande, no es adecuado para aplicaciones de alta frecuencia por encima de 1 MHz, pero se encuentran disponibles diodos de alta frecuencia y alta corriente especiales y costosos. Para aplicaciones de rectificador de alta frecuencia, los diodos Schottky se utilizan generalmente debido a su corto tiempo de recuperación inversa y baja caída de voltaje en su condición de polarización directa.

Los diodos de potencia proporcionan una rectificación de potencia incontrolada y se utilizan en aplicaciones como carga de baterías y fuentes de alimentación de CC, así como rectificadores e inversores de CA. Debido a sus características de alta corriente y voltaje, también se pueden utilizar como diodos de rueda libre y redes amortiguadoras.

Los diodos de potencia están diseñados para tener una resistencia directa «ON» de fracciones de un ohmio, mientras que su resistencia de bloqueo inverso está en el rango de megaohmios. Algunos de los diodos de potencia de mayor valor están diseñados para ser “montados con pernos” en disipadores de calor, lo que reduce su resistencia térmica entre 0,1 y 1°C / Watt.

Si se aplica un voltaje alterno a través de un diodo de potencia, durante el semiciclo positivo el diodo conducirá la corriente de paso y durante el semiciclo negativo el diodo no conducirá bloqueando el flujo de corriente. Entonces, la conducción a través del diodo de potencia solo ocurre durante el semiciclo positivo y, por lo tanto, es unidireccional, es decir, CC como se muestra:

Diodo rectificador de potencia

power diode rectifier - Diodos de potencia y rectificadores - ClasesParaTodos.org

Los diodos de potencia se pueden utilizar individualmente como se indicó anteriormente o se pueden conectar entre sí para producir una variedad de circuitos rectificadores como “Media onda”, “Onda completa” o como “Rectificadores de puente”. Cada tipo de circuito rectificador puede clasificarse como no controlado, medio controlado o totalmente controlado, donde un rectificador no controlado utiliza solo diodos de potencia, un rectificador totalmente controlado utiliza tiristores (SCR) y un rectificador medio controlado es una mezcla de diodos y tiristores.

El diodo de potencia individual más comúnmente utilizado para aplicaciones de electrónica básica es el uso general pasivado de1N400x de diodo rectificador de tipo vidrio de la serie con clasificaciones estándar de corriente rectificada directa continua de aproximadamente 1.0 amperio y clasificaciones de voltaje de bloqueo inverso desde 50v para el 1N4001 hasta 1000v para el 1N4007 , siendo el pequeño 1N4007GP el más popular para rectificación de voltaje de red de uso general.

La rectificación de media onda

Un rectificador es un circuito que convierte la energía de corriente alterna de entrada (CA) en una corriente de potencia de salida continua (CC). La fuente de alimentación de entrada puede ser monofásica o multifase, siendo el más simple de todos los circuitos rectificadores el del rectificador de Media Onda.

El diodo de potencia en un circuito rectificador de media onda pasa solo la mitad de cada onda sinusoidal completa de la fuente de CA para convertirla en una fuente de CC. Entonces, este tipo de circuito se llama rectificador de «media onda» porque pasa solo la mitad de la fuente de alimentación de CA entrante, como se muestra a continuación:

Circuito rectificador de media onda

half-wave rectifier circuit - Diodos de potencia y rectificadores - ClasesParaTodos.org

Durante cada medio ciclo «positivo» de la onda sinusoidal de CA, el diodo se polariza hacia adelante ya que el ánodo es positivo con respecto al cátodo, lo que hace que la corriente fluya a través del diodo.

Dado que la carga de CC es resistiva (resistencia, R), la corriente que fluye en la resistencia de carga es, por lo tanto, proporcional a la tensión (Ley de Ohm) y, por lo tanto, la tensión a través de la resistencia de carga será la misma que la tensión de alimentación, Vs. (menos Vƒ), que es el voltaje de “DC” a través de la carga sinusoidal para la primera mitad del ciclo solamente tan Vout =Vs.

Durante cada semiciclo «negativo» de la forma de onda de entrada sinusoidal de CA, el diodo tiene polarización inversa ya que el ánodo es negativo con respecto al cátodo. Por lo tanto, NO fluye corriente a través del diodo o circuito. Luego, en el semiciclo negativo de la fuente, no fluye corriente en la resistencia de carga ya que no aparece voltaje a través de ella, por lo tanto, Vout = 0.

La corriente en el lado de CC del circuito fluye en una dirección solo lo que hace que el circuito sea unidireccional. A medida que la resistencia de carga recibe del diodo una mitad positiva de la forma de onda, cero voltios, una mitad positiva de la forma de onda, cero voltios, etc, el valor de este voltaje irregular sería igual en valor a un voltaje de CC equivalente de 0.318 * Vmáx. de la forma de onda sinusoidal de entrada o 0,45 * Vrms de la forma de onda sinusoidal de entrada.

Luego, el voltaje CC equivalente, VCC a través de la resistencia de carga se calcula de la siguiente manera:

half-wave rectifier waveform - Diodos de potencia y rectificadores - ClasesParaTodos.org
rectified dc voltage equation - Diodos de potencia y rectificadores - ClasesParaTodos.org

Donde VMAX es el valor de voltaje máximo o pico del suministro sinusoidal de CA, y VRMS es el valor RMS (valor cuadrático medio) del voltaje de suministro.

Ejemplo de diodo de potencia No.1

Calcule la caída de voltaje VCC y la corriente ICC que fluye a través de una resistencia de 100Ω conectada a un rectificador de media onda monofásico de 240 Vrms como se muestra arriba. También calcule la potencia CC promedio consumida por la carga.

power diodes current equation - Diodos de potencia y rectificadores - ClasesParaTodos.org

Durante el proceso de rectificación, la tensión y la corriente de CC de salida resultantes están, por lo tanto, en «ON» y «OFF» durante cada ciclo. Como el voltaje a través de la resistencia de carga solo está presente durante la mitad positiva del ciclo (50% de la forma de onda de entrada), esto da como resultado que se suministre a la carga un valor de CC promedio bajo.

La variación de la forma de onda de salida rectificada entre esta condición «ON» y «OFF» produce una forma de onda que tiene grandes cantidades de «ondulación», lo cual es una característica indeseable. La ondulación de CC resultante tiene una frecuencia que es igual a la frecuencia de suministro de CA.

Muy a menudo, al rectificar un voltaje alterno, deseamos producir un voltaje de CC “estable” y continuo libre de variaciones de voltaje u ondulaciones. Una forma de hacer esto es conectar un condensador de gran valor a través de los terminales de voltaje de salida en paralelo con la resistencia de carga como se muestra a continuación. Este tipo de condensador se conoce comúnmente como «depósito» o condensador suavizado.

Rectificador de media onda con condensador suavizado

power diode with smoothing capacitor - Diodos de potencia y rectificadores - ClasesParaTodos.org

Cuando la rectificación se utiliza para proporcionar un voltaje directo (fuente de alimentación de CC) desde una fuente alterna (CA), la cantidad de voltaje de ondulación se puede reducir aún más mediante el uso de condensadores de mayor valor, pero existen límites en ambos costos y tamaño a los tipos de condensadores de suavizado utilizados.

Para un valor de condensador dado, una mayor corriente de carga (menor resistencia de carga) descargará el condensador más rápidamente (constante de tiempo RC) y así aumentará la ondulación obtenida. Luego, para un circuito rectificador monofásico de media onda que utiliza un diodo de potencia, no es muy práctico intentar reducir el voltaje de ondulación solo mediante el suavizado del condensador. En este caso, sería más práctico utilizar «Rectificación de onda completa» en su lugar.

En la práctica, el rectificador de media onda se utiliza con mayor frecuencia en aplicaciones de baja potencia debido a que sus principales desventajas son. La amplitud de salida es menor que la amplitud de entrada, no hay salida durante el semiciclo negativo, por lo que se desperdicia la mitad de la energía y la salida es CC pulsada, lo que produce una ondulación excesiva.Para superar estas desventajas,varios diodos de potencia se conectan para producir un rectificador de onda completa, como se explica en el siguiente tutorial.

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