Rectificadores

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2 Rectificadores y fuentes de alimentación (C.D.). Introducción: Para conocer el funcionamiento de los dispositivos electrónicos elaborados a partir de componentes individuales es mejor conocer primero el funcionamiento de estos, sus características, su alimentación eléctrica y su presentación física para poder entender mejor un arreglo más elaborado. Por lo tanto, en una primera distinción se tiene: Energía eléctrica alterna.- Es la que describe valores cambiantes con respecto al tiempo pero iguales con respecto a un intervalo de tiempo determinado. Describe una forma de onda sinusoidal por lo que se divide en dos semiciclos, de la siguiente manera: v t El semiciclo de arriba a partir del punto de equilibro presenta los valores positivos de la corriente alterna, mientras que el de abajo tiene los valores negativos. Esta corriente es la más utilizada para alimentar industrias y hogares por la facilidad en su transmisión y transformación. Diodo.- Es un componente semiconductor elaborado de silicio y germanio, el cual tiene un configuración interna que le permite circular corriente eléctrica en una dirección pero no en la opuesta. El tipo usado en los rectificadores es el diodo rectificador, físicamente es un cilindro negro pequeño con dos terminales a los extremos, este está marcado en uno de sus lados con una franja plateada. Al lado con la franja se le llama cátodo, mientras que el otro se llama ánodo. La corriente circulará de ánodo a cátodo cuando el diodo esté polarizado con un potencial negativo en el cátodo con respecto al ánodo, pero no inversamente. Esta característica es la que permite hacer los cambios pertinentes a la corriente alterna, si esta es cambiante y considerando lo antes dicho acerca de la polarización del diodo, este sólo conducirá la corriente eléctrica con respecto a un semiciclo, pero no la de toda la onda. De la siguiente manera: v t

ánodo

cátodo

v t

Transformador.- Es un dispositivo eléctrico formado por dos o más bobinas que a través de un eslabón electromagnético permiten variar las características de la energía eléctrica con respecto a su voltaje y su intensidad. Cuando la energía eléctrica circula por una de las bobinas se generará un campo electromagnético que inducirá a las cargas de la otra bobina, existirá un movimiento de estas y por lo tanto una corriente eléctrica. Ahora bien, si la corriente de entrada fue alterna, la de salida también lo será, no existe cambio alguno en la onda que describe la corriente, este sólo existe en sus valores. Físicamente un transformador es un arrollamiento de alambre magneto, con una aislante de barniz, que puede estar, o no, enrollado sobre un núcleo metálico; generalmente está blindado por una carcasa metálica. Los usados en rectificadores tienen dos terminales de entrada y dos de salida, a la entrada se le llama primario y a la salida secundario. Simbólicamente un transformador es:

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Transformador con núcleo de aire y ferroso respectivamente Capacitor.- Es un elemento de almacenaje de energía eléctrica, cuando se le conecta una diferencia de potencial en su dos terminales las cargas fluyen hasta su estructura y permanecen allí hasta que un factor externo lo impida. Internamente está formado por dos placas paralelas y separadas que se rodean, o no, y están aisladas por una material dieléctrico; externamente puede tener la apariencia de una pequeña lenteja, una pastilla o un pequeño cilindro. Los utilizados en los rectificadores son del tipo electrolítico, estos tienen una polaridad y tienen un funcionamiento semejante a los cerámicos, sólo se distinguen en que los electrolíticos están sumergidos en una sustancia química que permite tener una mayor capacidad de almacenaje. Simbólicamente un capacitor es:

Capacitores cerámico y electrolítico respectivamente Nota: Al capacitor electrolítico le falta por añadir un signo positivo a la izquierda de este para indicar su polaridad. Resistor.- Es un componente limitador del flujo de corriente eléctrica y tiene la función principal de transducir esta a calorífica mientras el rectificador esté en uso o no. Por lo tanto, es también un elemento de seguridad que impide la existencia de cortos circuitos entre la fase y el neutro del transformador, además de permitir una regulación en intensidad de la energía eléctrica.

Resistor fijo

Resistor variable (preset)

Existen resistores fijos y variables, los últimos pueden presentar varios valores de resistencia con cierta exactitud a respecto de una resistencia mínima (limite inferior) y una máxima (limite superior). El ajuste de los resistores variables se realiza de forma mecánica. Regulador.- Es un dispositivo semiconductor conformado principalmente por un diodo zener, este se encarga de mantener estable el voltaje a su salida mientras que el de entrada puede ser variable. Físicamente es una pieza rectangular con tres terminales y una lamina disipadora de calor. A este se le puede añadir un disipador más grande si las necesidades de intensidad son mayores. Su símbolo es mas que un cuadrado o rectángulo con tres patillas salientes de este, se le puede ver más adelante. Rectificadores (fuentes de alimentación) Un rectificador es un dispositivo formado por componentes eléctricos y electrónicos con la finalidad de proporcionar una energía eléctrica continua a partir de una alterna. El cambio de las características de la energía eléctrica se hace a partir de componentes semiconductores que están conectados conjuntamente en un arreglo que permite seguir

4 cambiando tales características con la ayuda de otros componentes como los capacitores, los transistores o los diodos zener. Su utilidad reside en el hecho de que la mayoría de los circuitos electrónicos actuales necesitan ser alimentados con una corriente eléctrica continua y con una tensión mucho menor a la existente en las líneas de corriente alterna. Se les puede encontrar en una inmensidad de aparatos electrodomésticos, de laboratorio, portátiles, etc. A todo el conjunto de componentes y dispositivos que conforman el rectificador se le da el nombre de fuente de alimentación. Los componentes del rectificador tienen la siguiente función:

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Transformador: Provee de la energía eléctrica necesaria para poder tener un voltaje e intensidad de salida determinada. El voltaje a su salida es mayor que el obtenido a la salida de todo el arreglo, esto sucede por pedidas en los diodos, transducción de la energía eléctrica a calorífica, etc., ha de tomarse en cuenta también que comúnmente el voltaje que se señala a la salida del transformador es un voltaje pico, de electricidad se sabe que existe un voltaje efectivo y a partir de este se toma en cuenta la caída de voltaje de los diodos y de otros componentes con motivo de obtener el voltaje de salida determinado. Entre otras funciones, el transformador separa el circuito de alimentación de corriente alterna de todo el arreglo del rectificador y demás circuitos conectados, esto como resultado del eslabón electromagnético existente.

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Diodo(s): Deja(n) pasar solamente una parte de la onda de corriente alterna. A partir de esta separación se puede proseguir a verdaderamente rectificar y filtrar la onda a través del capacitor.

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Capacitor: Cuando el diodo ha dejado pasar una corriente eléctrica, esta llega hasta las terminales del capacitor, lo carga, y este se descarga en un intervalo de tiempo dependiente de la resistencia existente en el circuito y de la capacitancia del capacitor. Si el capacitor no se ha descargado totalmente hasta que nuevamente llegue corriente a sus terminales, este se cargará nuevamente a partir de un determinado valor que puede ser más o menos el mismo a través del tiempo, esto se comprende mejor analizando la siguiente figura: descarga v t

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Regulador: Cuando el capacitor ha filtrado la corriente eléctrica, se encuentra que esta no es totalmente constante como se quisiera. Por lo tanto, el papel del regulador será estabilizar esa corriente y proporcionar una con una valor más o menos constante a través del tiempo. La estabilización sea hace a coste de que el regulador genere más calor si el voltaje es mayor al requerido.

Rectificador de media onda En este tipo de rectificador sólo se utiliza el semiciclo positivo de la onda de corriente alterna. Describe el siguiente arreglo: Fase

+

Neutro

-

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-

Como ya se explico anteriormente, cuando la corriente pasa por el diodo sólo pasará el semiciclo positivo, el capacitor se cargará, pero existirá un intervalo de tiempo considerable entre ciclo y ciclo. Si las condiciones de resistencia y capacitancia no son las adecuadas para obtener un buen filtraje, entonces se encontrará que existe una salida muy rizada o con muchas protuberancias semejantes a los dientes de una sierra.

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Aunque el regulador tiene el papel de estabilizador, este no podría ser suficiente para rectificar aún mas la onda si es que presenta aún valores alternos considerables.

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Generalmente estos rectificadores se caracterizan por la ausencia del regulador, si no existe este, considérese sólo lo dicho en un principio.

Rectificador de onda completa Este tipo utiliza cuatro diodos en una configuración bien determinada (puente de diodos) en la cual pasa el semiciclo positivo por dos de ellos y luego el negativo por los otros dos, al final se obtiene lo siguiente: Fase

+

Neutro

-

-

En este caso los dos semiciclos de la corriente son aprovechados, sucede lo siguiente: C.A. Fase 1 D1 D2 + Puente de diodos D3 D4 C.A. Neutro

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Imagínese una alimentación eléctrica constante sobre el puente de diodos, pero iníciese este análisis suponiendo que llega primero el semiciclo positivo de la onda. Cuando esto sucede, sólo el diodo dos permite la conducción, el uno no porque el cátodo se vuelve positivo con respecto a su ánodo. La corriente tiene paso y fluye a través de la resistencia y permite que el capacitor se carge. Luego pasa a través del diodo tres por tener su cátodo negativo con respecto a su ánodo. Pasado el semiciclo positivo se encuentra el negativo, la corriente fluirá esta vez por el diodo uno ya que su cátodo se vuelve negativo con respecto a su ánodo. La corriente tiene paso y fluye a través de la resistencia y permite que el capacitor se carge nuevamente. Luego pasa a través del diodo cuatro por tener el cátodo negativo con respecto al ánodo. Por lo tanto se obtendrá lo siguiente en la terminal señalada como (+): v t

-

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La ventaja del rectificador de onda completa con respecto al de media onda es el aprovechamiento de toda esta. Además de una mayor constancia en la alimentación de corriente sobre el capacitor y con ello una mejor rectificación, en donde el capacitor se descargará pero será alimentado más rápidamente. El regulador tendrá a su entrada un voltaje con menos variaciones y su estabilización será mucho mejor que si tuviera muchas como es el caso del rectificador de media onda. A su salida el voltaje es constante con variaciones despreciables.

Cálculo del rectificador (fuente de alimentación) y consideraciones para el diseño Todo dispositivo electrónico que va a ser utilizado en una aplicación que requiere exactitud debe tener por lo menos un análisis matemático de sus características y propiedades. Es necesario para saber su comportamiento y las capacidades que este posee mientras se encuentra trabajando o cuando se le relacione con otros circuitos. Los rectificadores son los dispositivos que más se utilizan en combinación con otros circuitos, cada uno es diferente y se tiene que tener una adaptación a sus necesidades de alimentación de energía eléctrica. Unos requieren más voltaje, menos corriente, etc., por ello las consideraciones para la elaboración de una fuente serían las siguientes:

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Transformador: Ha de considerarse el voltaje y la frecuencia de la acometida del proveedor de energía eléctrica. El voltaje común oscila entre los 110V y los 127V, un cambio en este voltaje no parece que afectará mucho al de la salida del transformador, pero si los componentes no soportan tales cambios, el transformador debe ser ajustado para tener un voltaje de salida menor al que marcan los componentes como máximo permisibles. La fórmula para calcular el voltaje e intensidad de salida con respecto a la entrada relaciona el número de espiras en el devanado secundario y el primario, como sigue:

(N1 / N2) = (V1 / V2) = (I2 / I1), de donde N es el número de espiras en el primario y en el secundario respectivamente, V es el voltaje e I la intensidad. A veces no es necesario contar las vueltas porque el transformador ya viene marcado con los voltajes pertinentes. El voltaje de salida debe ser considerado por que a partir de este se restarán perdidas para obtener un voltaje a la salida pero de toda la fuente.

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Diodos: La mayoría de los diodos rectificadores restan 0.6V al voltaje que se conecta a una de sus terminales. Otros factores que han de considerarse son: el voltaje que soportan cuando son polarizados inversamente, la corriente de fuga existente, la corriente que pueden conducir, etc. Si un diodo es excedido en sus capacidades seguramente dejará de funcionar muy violentamente, ya sea quemándose o haciendo un pequeño pop. La corriente de fuga es algo considerable por que puede afectar la onda de salida haciéndola tener valores de voltaje negativo, lo que puede afectar a cómo se dé todo el proceso, pero la mayoría de los diodos rectificadores tienen valores de fuga tan pequeños que son despreciables.

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Capacitor: El uso de capacitores electrolíticos involucra una polarización determinada de estos, además de un voltaje máximo soportado. Si este es

7 excedido, seguramente el capacitor dejará de funcionar y explotará muy abruptamente. Un factor importante en la elección de capacitores es su capacitancia, ya que de esta (y de la resistencia) depende en qué tiempo se cargará y se descargará el capacitor, entre mayor sea esta y la resistencia el tiempo será mayor pero se puede afectar la intensidad y el voltaje existente en el circuito.

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Resistencia: Esta depende a la del circuito a conectar y la propia de la fuente. Puede ser variable y controlable a la vez, pero un factor importante es que se mantenga en un valor lo suficientemente posible como para que la descarga del capacitor sea en un mayor tiempo pero no se sacrifique el voltaje y la intensidad a conste de esto.

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Regulador: La intensidad que se puede demandar al circuito y la potencia que se necesite está directamente relacionada a las características del regulador. Este también tiene corriente máxima a soportar y un voltaje por igual, si sus valores son excedidos el regulador se quemará. Cuando se adquiere un regulador se debe especificar el voltaje de entrada con el que trabajará, el necesario en su salida, la potencia soportada y la intensidad máxima a su salida.

Referencias: http://la-cantina.tripod.com