Rectificador de onda completa

Los diodos de potencia se pueden conectar juntos para formar un rectificador de onda completa que convierte el voltaje de CA en voltaje de CC pulsante para su uso en fuentes de alimentación.

En el tutorial anterior de diodos de potencia, discutimos formas de reducir la ondulación o las variaciones de voltaje en un voltaje de CC directo mediante conectar condensadores de suavizado a través de la resistencia de carga.

Si bien este método puede ser adecuado para aplicaciones de baja potencia, no es adecuado para aplicaciones que necesitan una tensión de alimentación de CC «constante y uniforme». Un método para mejorar esto es utilizar cada medio ciclo de la tensión de entrada en lugar de cada medio ciclo. El circuito que nos permite hacer esto se llama rectificador de onda completa.

Al igual que el circuito de media onda, un circuito rectificador de onda completa produce un voltaje o corriente de salida que es puramente CC o tiene algún componente de CC especificado. Los rectificadores de onda completa tienen algunas ventajas fundamentales sobre sus contrapartes rectificadores de media onda. El voltaje de salida promedio (CC) es más alto que para la media onda, la salida del rectificador de onda completa tiene mucho menos rizado que la del rectificador de media onda que produce una forma de onda de salida más suave.

En un circuito rectificador de onda completa, ahora se utilizan dos diodos, uno para cada mitad del ciclo. Se utiliza un transformador de devanados múltiples cuyo devanado secundario se divide por igual en dos mitades con una conexión central con derivación común, (C). Esta configuración da como resultado que cada diodo conduzca a su vez cuando su terminal de ánodo es positivo con respecto al punto central del transformador C produciendo una salida durante ambos semiciclos, el doble que para el rectificador de media onda, por lo que es 100% eficiente como se muestra a continuación:

Circuito rectificador de onda completa

full wave rectifier - Rectificador de onda completa - ClasesParaTodos.org

El circuito rectificador de onda completa consta de dos diodos de potencia conectados a una sola resistencia de carga (RL) y cada diodo lo toma a su vez para suministrar corriente a la carga. Cuando el punto A del transformador es positivo con respecto al punto C, el diodo D1 conduce en la dirección de avance como lo indican las flechas.

Cuando el punto B es positivo (en la mitad negativa del ciclo) con respecto al punto C, el diodo D2 conduce en la dirección de avance y la corriente que fluye a través de la resistencia R está en la misma dirección para ambos semiciclos. Como el voltaje de salida a través de la resistencia R es la suma fasorial de las dos formas de onda combinadas, este tipo de circuito rectificador de onda completa también se conoce como circuito «bifásico».

Podemos ver este efecto con bastante claridad si ejecutamos el circuito en el circuito del simulador de Partsim con el condensador suavizado eliminado.

Onda de simulación de Partsim

full wave rectifier output waveform - Rectificador de onda completa - ClasesParaTodos.org

Como los espacios entre cada media onda desarrollada por cada diodo ahora están siendo rellenados por el otro diodo, el voltaje de salida de CC promedio a través de la resistencia de carga es ahora el doble que el del circuito rectificador de media onda simple y es de aproximadamente  0,637 V como máximo  del voltaje pico, asumiendo que no hay pérdidas.

full wave rectifier voltage - Rectificador de onda completa - ClasesParaTodos.org

Donde: VMAX es el valor pico máximo en la mitad del devanado secundario y VRMS es el valor rms.

El voltaje pico de la forma de onda de salida es el mismo que antes para el rectificador de media onda siempre que cada mitad de los devanados del transformador tenga el mismo valor de voltaje rms. Para obtener una salida de voltaje CC diferente, se pueden usar diferentes relaciones de transformador.

La principal desventaja de este tipo de circuito rectificador de onda completa es que se requiere un transformador más grande para una potencia de salida determinada con dos devanados secundarios separados pero idénticos, lo que hace que este tipo de circuito rectificador de onda completa sea más costoso en comparación con el circuito de «puente rectificador de onda completa» equivalente. 

El puente rectificador de onda completa

Otro tipo de circuito que produce la misma forma de onda de salida que el circuito rectificador de onda completa anterior es el puente rectificador de onda completa. Este tipo de rectificador monofásico utiliza cuatro diodos rectificadores individuales conectados en una configuración de «puente» de circuito cerrado para producir la salida deseada.

La principal ventaja de este circuito puente es que no requiere un transformador con derivación central especial, lo que reduce su tamaño y costo. El devanado secundario único está conectado a un lado de la red del puente de diodos y la carga al otro lado como se muestra a continuación:

El puente rectificador de diodos

diode bridge rectifier - Rectificador de onda completa - ClasesParaTodos.org

Los cuatro diodos etiquetados D1 a D4 están dispuestos en «pares en serie» con sólo dos diodos conductores de corriente durante cada medio ciclo. Durante el semiciclo positivo del suministro, los diodos D1 y D2 conducen en serie, mientras que los diodos D3 y D4 tienen polarización inversa y la corriente fluye a través de la carga como se muestra a continuación:

El semiciclo positivo

full wave rectifier positive cycle - Rectificador de onda completa - ClasesParaTodos.org

Durante el semiciclo negativo del suministro, los diodos D3 y D4 conducen en serie, pero los diodos D1 y D2 se apagan ya que ahora tienen polarización inversa. La corriente que fluye a través de la carga es la misma dirección que antes.

El semiciclo negativo

full wave rectifier negative cycle - Rectificador de onda completa - ClasesParaTodos.org

Como la corriente que fluye a través de la carga es unidireccional, el voltaje desarrollado a través de la carga también es unidireccional igual que para el rectificador de onda completa de dos diodos anterior, por lo tanto, el voltaje de CC promedio a través de la carga es de 0.637 Vmáx.

bridge rectifier - Rectificador de onda completa - ClasesParaTodos.org

Puente rectificador típico

Sin embargo, en realidad, durante cada medio ciclo, la corriente fluye a través de dos diodos en lugar de solo uno, por lo que la amplitud del voltaje de salida es dos caídas de voltaje (2 * 0.7 = 1.4V) menos que la entrada MAX de amplitud. La frecuencia de ondulación es ahora el doble de la frecuencia de suministro (por ejemplo, 100 Hz para un suministro de 50 Hz o 120 Hz para un suministro de 60 Hz).

Aunque podemos usar cuatro diodos de potencia individuales para hacer un puente rectificador de onda completa, los componentes del puente rectificador prefabricados están disponibles «desactivado -the-shelf” en una gama de diferentes tamaños de voltaje y corriente que se pueden soldar directamente en una placa de circuito de PCB o conectarse mediante conectores de horquilla.

La imagen de la derecha muestra un puente rectificador monofásico típico con una esquina cortada. Esta esquina de corte indica que el terminal más cercano a la esquina es el positivo + o terminal de salida o el cable con el cable opuesto (diagonal) siendo el negativo – o cable de salida. Los otros dos cables de conexión son para la tensión alterna de entrada de un devanado secundario del transformador.

El condensador suavizado

Vimos en la sección anterior que el rectificador de media onda monofásico produce una onda de salida cada medio ciclo y que no era práctico utilizar este tipo de circuito para producir un suministro de CC constante. Sin embargo, el puente rectificador de onda completa nos da un valor de CC medio mayor (0,637 Vmax) con menos ondulación superpuesta, mientras que la forma de onda de salida es el doble de la frecuencia de la frecuencia de suministro de entrada.

Podemos mejorar la salida de CC promedio del rectificador y, al mismo tiempo, reducir la variación de CA de la salida rectificada mediante el uso de condensadores de suavizado para filtrar la forma de onda de salida. Los condensadores de alisado o de depósito conectados en paralelo con la carga a través de la salida del circuito rectificador de puente de onda completa aumentan el nivel de salida de CC promedio incluso más alto ya que el condensador actúa como un dispositivo de almacenamiento como se muestra a continuación:

Rectificador de onda completa con condensador suavizado

full wave rectifier smoothing - Rectificador de onda completa - ClasesParaTodos.org

El condensador suavizado convierte la salida ondulada de onda completa del rectificador en un voltaje de salida de CC más suave. Si ahora ejecutamos el circuito simulador Partsim con diferentes valores de condensador de suavizado instalado, podemos ver el efecto que tiene en la forma de onda de salida rectificada como se muestra:

Condensador suavizado 5uF

5uF smoothing capacitor - Rectificador de onda completa - ClasesParaTodos.org

El gráfico azul en la forma de onda muestra el resultado de usar un capacitor de suavizado de 5.0uF a través de la salida de los rectificadores. Anteriormente, el voltaje de carga seguía la forma de onda de salida rectificada hasta cero voltios. Aquí, el condensador de 5uF se carga al voltaje máximo del pulso de CC de salida, pero cuando cae de su voltaje máximo a cero voltios, el condensador no puede descargarse tan rápidamente debido a la constante de tiempo RC del circuito.

Esto da como resultado que el capacitor se descargue a aproximadamente 3.6 voltios, en este ejemplo, manteniendo el voltaje a través de la resistencia de carga hasta que el capacitor se recargue una vez más en la siguiente pendiente positiva del pulso de CC. En otras palabras, el condensador solo tiene tiempo de descargarse brevemente antes de que el siguiente pulso de CC lo vuelva a cargar hasta el valor máximo. Por lo tanto, el voltaje de CC aplicado a la resistencia de carga cae solo en una pequeña cantidad. Pero aún podemos mejorar esto aumentando el valor del condensador de suavizado como se muestra:

Condensador suavizado 50uF

50uF smoothing capacitor - Rectificador de onda completa - ClasesParaTodos.org

Aquí hemos aumentado diez veces el valor del condensador suavizado de 5uF a 50uF, lo que ha reducido la ondulación aumentando el voltaje de descarga mínimo de los 3.6 voltios anteriores a 7.9 voltios. Sin embargo, utilizando el circuito simulador de Partsim, hemos elegido una carga de 1 kΩ para obtener estos valores, pero a medida que la impedancia de carga disminuye, la corriente de carga aumenta, lo que hace que el condensador se descargue más rápidamente entre los pulsos de carga.

El efecto de suministrar una carga pesada con un solo condensador de reserva o de suavizado se puede reducir mediante el uso de un condensador más grande que almacena más energía y se descarga menos entre los pulsos de carga. Generalmente, para los circuitos de suministro de energía de CC, el condensador de suavizado es un tipo electrolítico de aluminio que tiene un valor de capacitancia de 100 uF o más con pulsos de voltaje de CC repetidos desde el rectificador que carga el condensador hasta el voltaje máximo.

Sin embargo, hay dos parámetros importantes a considerar al elegir un capacitor de suavizado adecuado y estos son su voltaje de trabajo, que debe ser mayor que el valor de salida sin carga del rectificador y su valor de capacitancia, que determina la cantidad de ondulación que aparecerá. superpuesto sobre el voltaje de CC.

Un valor de capacitancia demasiado bajo y el capacitor tiene poco efecto en la forma de onda de salida. Pero si el condensador de suavizado es lo suficientemente grande (se pueden usar condensadores en paralelo) y la corriente de carga no es demasiado grande, la tensión de salida será casi tan suave como la CC pura. Como regla general, buscamos tener un voltaje de ondulación de menos de 100 mV pico a pico.

El voltaje de ondulación máximo presente para un circuito rectificador de onda completa no solo se determina por el valor del condensador suavizado, sino también por la frecuencia y la corriente de carga, y se calcula como:

Voltaje de ondulación del puente rectificador 

full wave rectifier ripple voltage - Rectificador de onda completa - ClasesParaTodos.org

Donde: I es la corriente de carga de CC en amperios, ƒ es la frecuencia de la ondulación o el doble de la frecuencia de entrada en hercios, y C es la capacitancia en faradios.

Las principales ventajas de un puente rectificador de onda completa es que tiene un valor de rizado de CA más pequeño para una carga determinada y un depósito o condensador de suavizado más pequeño que un rectificador de media onda equivalente. Por lo tanto, la frecuencia fundamental de la tensión de ondulación es el doble de la frecuencia de suministro de CA (100 Hz), mientras que para el rectificador de media onda es exactamente igual a la frecuencia de suministro (50 Hz).

La cantidad de voltaje de ondulación que se superpone a la tensión de alimentación de CC por los diodos se puede eliminar virtualmente agregando un muy mejorado filtro π (pi)a los terminales de salida del puente rectificador. Este tipo de filtro de paso bajo consta de dos condensadores de suavizado, generalmente del mismo valor y un estrangulador o inductancia a través de ellos para introducir una ruta de alta impedancia al componente de ondulación alterna.

Otra alternativa más práctica y económica es usar un estándar 3 – IC regulador de voltaje terminal, como un LM78xx (donde «xx» representa la clasificación de voltaje de salida) para un voltaje de salida positivo o su equivalente inverso el LM79xx para un voltaje de salida negativo que puede reducir la ondulación en más de 70dB (Hoja de datos) mientras entrega una corriente de salida constante de más de 1 amperio.

¿Por qué no poner a prueba sus conocimientos sobre circuitos rectificadores de onda completa utilizando la herramienta simulador de Partsim hoy mismo? Pruebe diferentes valores de condensador suavizado y resistencia de carga en su circuito para ver los efectos en la forma de onda de salida.

En el próximo tutorial sobre diodos, veremos el diodo Zener que aprovecha su característica de voltaje de ruptura inversa para producir un voltaje de salida constante y fijo en sí mismo.

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