.

A. INDA.R.-

1

FUNDAMENTOS DE FUNDAMENTOS DE ELECTRÒNICA.-ELECTRÒNICA.-

-APUNTE DE CONVERSORES AC/DC O RECTIFICADORES Y FILTROS PASIVOS.

PROF: ALEJANDRO INDA R.-

2012.

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A. INDA.R.-

2

RECTIFICADORESRECTIFICADORES

IntroducciónIntroducción

Un rectificador es un subsistema electrónico cuya misión es la de convertir la Un rectificador es un subsistema electrónico cuya misión es la de convertir la tensión alterna, cuyo valor medio es nulo, en otra tensión unidireccional de tensión alterna, cuyo valor medio es nulo, en otra tensión unidireccional de valor medio no nulo.valor medio no nulo.

• A la hora de llevar a cabo la rectificación, se han de utilizar elementos A la hora de llevar a cabo la rectificación, se han de utilizar elementos electrónicos que permitan el paso de la corriente en un solo sentido, electrónicos que permitan el paso de la corriente en un solo sentido, permaneciendo bloqueado cuando se le aplique una tensión de polaridad permaneciendo bloqueado cuando se le aplique una tensión de polaridad inapropiada. inapropiada.

• Para ello, el componente más adecuado y utilizado es el diodoPara ello, el componente más adecuado y utilizado es el diodo semiconductor. semiconductor. Este dispositivo es el fundamento de los rectificadores no controlados.Este dispositivo es el fundamento de los rectificadores no controlados.  

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A. INDA.R.-

3

• El diodo es un semiconductor de dos terminales, El diodo es un semiconductor de dos terminales, ánodo y ánodo y cátodocátodo, que dejará pasar la corriente cuando el ánodo sea , que dejará pasar la corriente cuando el ánodo sea positivo respecto al cátodo, y no conducirá cuando la tensión positivo respecto al cátodo, y no conducirá cuando la tensión aplicada a sus extremos sea la contraria. aplicada a sus extremos sea la contraria.

• Esto hace del diodo un componente adecuado para ser utilizado, Esto hace del diodo un componente adecuado para ser utilizado, solo o con otros diodos, como rectificador.solo o con otros diodos, como rectificador.

• En bloqueo, la corriente que circula por el diodo recibe el nombre En bloqueo, la corriente que circula por el diodo recibe el nombre de corriente de fugas y es prácticamente cero.de corriente de fugas y es prácticamente cero.

. También tendremos en cuenta, además de la tensión directa VD, . También tendremos en cuenta, además de la tensión directa VD, la tensión inversa que soporta el diodo V.INV.la tensión inversa que soporta el diodo V.INV.

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A. INDA.R.-

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Rectificadores monofásicosRectificadores monofásicos .

 RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDARECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA::

• Este circuito sólo rectifica la mitad de la tensión de entrada ; o sea, cuando el ánodo es positivo Este circuito sólo rectifica la mitad de la tensión de entrada ; o sea, cuando el ánodo es positivo con respecto al cátodo. con respecto al cátodo.

• Podemos considerarlo como un circuito en el que la unidad rectificadora está en serie con la Podemos considerarlo como un circuito en el que la unidad rectificadora está en serie con la tensión de entrada y la carga.tensión de entrada y la carga.

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A. INDA.R.-

5

El funcionamiento consiste en tomar de la red una señal sinusoidal deEl funcionamiento consiste en tomar de la red una señal sinusoidal de valor medio nulo, y proporcionar a la carga, gracias al diodo, una valor medio nulo, y proporcionar a la carga, gracias al diodo, una forma de onda unidireccional, pero no constante como podemosforma de onda unidireccional, pero no constante como podemos ver en la figura:ver en la figura:

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A. INDA.R.-

6

• Según sea la amplitud de la tensión de alimentación, tendremos un Según sea la amplitud de la tensión de alimentación, tendremos un determinado nivel de tensión continua a la salida. determinado nivel de tensión continua a la salida.

• Dicha amplitud puede serDicha amplitud puede ser modificada mediante un transformador modificada mediante un transformador elevador o reductor. elevador o reductor.

• Tensión media en la cargaTensión media en la carga o V.d.c o V.d.c..:: Este valor nos determina Este valor nos determina la componente de c.c.la componente de c.c. de la tensión en la carga. de la tensión en la carga.

• LLaa obtenemos calculando el promedio del voltaje de obtenemos calculando el promedio del voltaje de salida del salida del rectificador:rectificador:

• AAsí que tendremos una componente continua sí que tendremos una componente continua del orden del 30% del orden del 30% del valordel valor Máximo Máximo..

maxmax2

0 0 max 318,0V

td 2

1

1VtSenVdttV

TV

T

Sdc

tSenVVC max t0 0CV 2 t

.

A. INDA.R.-

7

Tensión eficaz en la cargaTensión eficaz en la carga::

La tensión La tensión eficazeficaz presente en la señal de salida sera : presente en la señal de salida sera :

RegulaciónRegulación::

Mediante el parámetro regulación se mide la variación de la tensión Mediante el parámetro regulación se mide la variación de la tensión continua de salida (Vcontinua de salida (V

DCDC) en función de la corriente continua que circula ) en función de la corriente continua que circula

por la carga. por la carga.

Dicha variación de la tensión de salidaDicha variación de la tensión de salida e es debida a una pequeña s debida a una pequeña resistencia que presenta elresistencia que presenta el devanado secundario (Rdevanado secundario (R

SS), y a la resistencia ), y a la resistencia

interna del diodo cuando está conduciendo (Rinterna del diodo cuando está conduciendo (Rdd).).

Por eso, lo más conveniente para nuestro rectificador es que Por eso, lo más conveniente para nuestro rectificador es que el el porcentaje de regulación sea lo menoporcentaje de regulación sea lo menor r posible:posible:    

22

1 max2

0 max

VtdttdSenVVrms

.

A. INDA.R.-

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Siendo el valor de tensión media en la carga:Siendo el valor de tensión media en la carga:

•     

Factor de forma:Factor de forma:

  

  

» Factor de rizado: Es una buena forma de medir el Factor de rizado: Es una buena forma de medir el alisamiento en la salida de c.c.:alisamiento en la salida de c.c.:

%100%

arg

arg

aaplenacdc

aaplenacdcenvacíodc

V

VVr

DSdcaenplenacdc RRIV

V

carga plenaen

maxarg

57,1318,0

5,0

max

max V

V

V

VFF

dc

rms

.

A. INDA.R.-

9

Sabiendo que: Sabiendo que:   Valor medio de la corriente en la carga:Valor medio de la corriente en la carga:  

  Valor eficaz de la corriente en la carga:Valor eficaz de la corriente en la carga:    

22,

2dcsalidarmsacrms VVV

maxI

Idc

2maxI

I rms

Factor de rizadoFactor de rizado: Es una buena forma de medir el alisamiento en la : Es una buena forma de medir el alisamiento en la salida de c.c.:salida de c.c.:

%1001.

.2

dcI

rmsIFR

.

A. INDA.R.-

10

Sabiendo que: Sabiendo que:

  

Los valores de Los valores de IIDCDC e I e IMÁXMÁX se se deberán tenerse en cuenta a la horadeberán tenerse en cuenta a la hora

de elegir un diodo semiconductor para el rectificador, siendo estos de elegir un diodo semiconductor para el rectificador, siendo estos

valores de intensidad los que circularán por el devanado secundario valores de intensidad los que circularán por el devanado secundario

del transformadordel transformador

Potencia Potencia Útil Útil en la carga: en la carga:

LRrd

VI

max

max

VCCICC

RL

V

RL

VPCCPU CC

2max

2 318,0

.

A. INDA.R.-

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Rendimiento:Rendimiento:

Potencia Suministrada o Eficaz en la carga: 

)(.

5,0 2max

2

wIrmsVrmsPsRLrd

V

RLrd

VPs rms

%)4,40(

404,025,0

101,0

5,0

318,02

max

2max

2

2

V

V

RLVRLV

Ps

P

rms

CC

CC

.

A. INDA.R.-

12

EJEMPLO N°1:EJEMPLO N°1:

Dado un rectificador monofásico de media onda con carga

resistiva,cuyo esquema es el mostrado en la figura:

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A. INDA.R.-

13

Calcular los siguiente parámetros :a) Tensión Máx. en la carga.b) Corriente Máx. en la carga.c)  Tensión media o DC en la carga.d)  Corriente media o DC en la carga.e)  Corriente eficaz en la carga.f)   Potencia eficaz en la carga.

Datos: RL=20 VS=240V f=50Hz

DESARROLLO:

1.- La tensión Máx. en la carga, corresponderá a la tensión máxima suministrada por el secundario del transformador:

VVVV SacMáx 4,339240414,12maxarg

.

A. INDA.R.-

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3.- La tensión media o DC en la carga será:

4.-La corriente media o DC en la carga será : 

5.- La corriente eficaz en la carga se calcula :

2.- La corriente Máx en la carga , corresponde a la intensidad máxima que se puede obtener de la tensión máxima:  

ARL

VII acP 97,16

20

4,339maxmaxarg

VVVdc 108318,0 max

AdcIRL

dcVdcI .4,5.

20

108..

AI

I rms 48,82max

.

A. INDA.R.-

15

EJEMPLO N°2:EJEMPLO N°2:

Dado un rectificador monofásico de media onda con carga puramente resistiva, Calcular lo siguientes Parámetros :

a) El rendimiento del rectificación.

b) El factor de forma.

c) El factor de rizado.

d) La tensión inversa de pico en el diodo.

6.- La potencia suministrada o alterna en la carga será: 

WPs

RLIPs rms

.1438

2

.

A. INDA.R.-

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DESARROLLO:

1.-Calculo de rendimiento del rectificador , parta ello se relaciona la potencia útil con la potencia suministrada o alterna en la carga:

%5,40405,05,0

318,02

max

2max

V

V

2.- Calculo del factor de forma , donde se relacionan también las mismas potencias , pero en forma inversa:

%15757,1318,0

5,0

max

max V

VFF

.

A. INDA.R.-

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3.- Calculo del factor de rizado para rectificador de media onda, donde se relacionan las corrientes alterna Rms. y DC.:

%1001.

.2

dcI

rmsIFR

Para este tipo de rectificador , el factor de rizado siempre

corresponde aproximadamente al 120 %.-

4.- Determinación de la tensión máxima inversa del diodo , Dato que en el momento de elegir el diodo se debe tomar en cuenta:

max.. VV DIODOINV

.

A. INDA.R.-

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RECTIFICADORES MONOFÁSICOS DE ONDA COMPLETA

Puente Rectificador con Diodos

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A. INDA.R.-

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ANALISIS GRÁFICO:

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A. INDA.R.-

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FUNCIONAMIENTO:

Recibe el nombre de puente rectificador, por estar formado por cuatro diodos conectados en puente y su principal ventaja respecto al otro rectificador de Media onda es que presenta mayor rendimiento o menor rizado, siendo la tensión y corriente continua de un porcentaje mayor.-

Durante el semiciclo positivo de la señal de entrada conducirán D2 y D4, mientras que D1 y D3 estarán polarizados inversamente. Así, en el semiciclo negativo sucederá lo contrario, conduce D1 y D3Mientras D2 y D4 se encuentran con polarización inversa.-

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A. INDA.R.-

21

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS:

Tensión media o DC en la carga:   

Tensión eficaz en la carga: 

 

Regulación : Vamos a considerar la resistencia del devanado secundario (Rs) y del diodo (rd):

 

max

max0

2

0

maxmax

636,0

2

2

VVCC

VtCos

VtdtSenV

TV

T

CC

max

max2

0

2max

707,02

2

VVorms

VtdtSenV

TVo

T

rms

)(2

carga plenaen max RSrdIV

V dcdc

.

A. INDA.R.-

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CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS :

Factor de forma:

 

 

Factor de rizado:

 

%11111,12

2max

max

V

V

V

VFF

dc

rms

%2,48482,012

dc

rms

V

VFR

.

A. INDA.R.-

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Si comparamos este último resultado con el factor de rizado del rectificador de media onda (121%), podemos observar que se ha producido una considerable reducción.

VRRM: Es fácil demostrar que el valor de tensión Máxima inversa que soportarán cada uno de los diodos que forman éste montaje Puente es de 1 V.Máx

Corriente en los diodos:

 

 

Potencia aparente o suministrada al circuito(PS):

 

 

max

21

III DCCDCC

22max

21

III DrmsDrms

)(.

707,0 2

.

2.

wIormsVormsPs

RLrdIRLrdIPSMÁXEFIC

.

A. INDA.R.-

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Potencia media o DC en la carga:

 

Potencia eficaz en la carga:

 

 Rendimiento :

también conocido como eficiencia, se obtiene con la relación entre la potencia continua y eficaz en la carga:

)(.

636,0 2max

wVCCIPURL

VPCCP

CC

U

RL

VPac

2max707,0

%81%100

%8181,0707,0

636,0

2max

2max

Ps

PU

Ps

PU

RLV

RLV

.

A. INDA.R.-

25

CONCLUCIONES:

Después de este análisis hemos podido observar que el rendimiento de este tipo de rectificador es el doble del monofásico de media onda, lo cual, unido a la duplicación de la intensidad media, y a la notable reducción del rizado, implica una clara mejora.

Cabe destacar que la frecuencia de funcionamient en el rectificador de media onda era de 50Hz, y ahora, la frecuencia en

el rectificador de onda completa es el doble, o sea 100Hz. 

Si hubiera que destacar un inconveniente, este sería el hecho de que se utilizan cuatro diodos soportando cada uno un valor inverso de un

V.Máx.- 

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A. INDA.R.-

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EJEMPLO :

Dado un puente rectificador monofásico de onda completa, con carga resistiva.

Calcular:a) Tensión máxima en la carga.

b) Corriente máxima en la carga.

c) Tensión media o DC en la carga.

    d) Corriente mediao DC en la carga.

     e) Corriente eficaz en la carga.

f) Potencia eficaz en la carga.

 

Datos : RL = 20 VS = 240V f = 50Hz

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A. INDA.R.-

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Solución : V.máx = 339,4V, I.máx(carga) = 16,97A, V.DC= 216V, I.DC=10,8, I.rms=12A, P.ac=2880W______________________________________________________________ FILTRADO

Introducción:Los filtros son circuitos que se colocan entre la salida del rectificador y la carga, con el objeto de separar las componentes de corriente alterna y de corriente continua , tensión aplicada por el rectificador a la entrada del filtro, y evitar que los primeros parámetros eléctricos alcancen la carga. Estos circuitos se realizan con impedancias serie (bobinas o resistencias) que ofrecen alta impedancia a la componente alterna de salida del rectificador, y condensadores en paralelo que cortocircuitan las componentes de corriente alterna entre terminales de la carga. 

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A. INDA.R.-

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La acción de los filtros, a pesar de las inevitable pérdidas que

introducen en el proceso de rectificación, aumenta el rendimiento de la rectificación, obteniéndose corrientes continuas más uniformes con menores componentes de corriente alterna.

 

La utilización de circuitos de filtro se reduce a sistemas rectificadores de baja potencia y, rara vez, para circuitos más complejos que sistemas monofásicos de onda completa. La razón es que los componentes de los circuitos filtro (bobinas y condensadores), para potencias elevadas, resultarían exagerados en cuanto a volumen y precio.

 

Para la obtención de corrientes continuas, casi exentas de rizado y de elevada potencia, se recurre a sistemas rectificadores más elaborados, como circuitos trifásicos de onda completa, circuitos en doble estrella con bobina compensadora, etc.

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A. INDA.R.-

29

Tipos de filtros Tipos de filtros pasa bajos más utilizados en la práctica.

 

 

 

 

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A. INDA.R.-

30

Es fácil razonar sus comportamientos cualitativos

recordando simplemente que XC=1/2fc y XL=2fL. El filtro con un solo condensador es el empleado cuando sigue un sistema Electrónico de regulación.

El filtro con una sola inductancia evita las altas corrientes que pueden circular por el filtro C.

El filtro LC reúne las ventajas de los dos anteriores.

Suele utilizarse en los reguladores de conmutación.

El filtro CLC (en ), suele usarse menos que el CRC, ya que las inductancias son más caras y pesadas, y ocupan más espacio que una simple resistencia.

Este último suele utilizarse en las fuentes de alimentación con tiristores.

 

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A. INDA.R.-

31

FILTRO POR CONDENSADOR

Con frecuencia el filtrado se efectúa colocando un condensador en paralelo con la carga.

El funcionamiento de este sistema se basa en que el condensador almacena energía durante el periodo de conducción y la cede posteriormente durante el periodo de no conducción de los elementos rectificadores.

De esta forma, se prolonga el tiempo durante el cual circula corriente por la carga y se disminuye notablemente el rizado. Las ventajas de este tipo de filtro son: 

  

-Pequeño rizado.

-Tensión de salida alta con cargas pequeñas.

 

.

A. INDA.R.-

32

Y los inconvenientes:   - Mala regulación y rizado alto con cargas grandes.   - Valores máximos de corriente muy elevados que deben

soportar los diodos durante el tiempo total de conducción.  - Valores máximos más elevados cuanto mayor sea la capacidad.-

Análisis aproximado del filtro por condensador Es posible hacer varias aproximaciones razonables que permiten resolver analíticamente el problema. Esta solución aproximada tiene la ventaja de manifestar claramente la dependencia de la tensión continua de salida y el factor de rizado de los valores de los componentes del circuito.

Este análisis es suficientemente preciso para la mayor parte de las aplicaciones en ingeniería. 

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A. INDA.R.-

33

Supongamos que la forma de onda de la tensión de salida de un circuito de onda completa con filtro por condensador, puede aproximarse por una curva quebrada constituida por tramos lineales.

Durante T1 se carga el condensador mientras conducen los elementos rectificadores y durante T2 se descarga a través de la carga durante el tiempo de no conducción de los elementos rectificadores. En T1 la tensión ánodo-cátodo es positiva mientras que en T2 es negativa. 

El valor peack de esta onda es Vm, tensión máxima en el transformador.

Si denominamos Vr a la tensión total de descarga del condensador, el valor medio

o Vcc de la tensión será:

2.

VrMAXVVCC

.

A. INDA.R.-

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ANALISIS GRÁFICO :

.

A. INDA.R.-

35

Eliminando la componente continua de la onda, obtenemos la forma de onda que se representa en la figura anterior .-

El valor eficaz de esta onda triangular es independiente de las pendientes o longitudes de los tramos rectos, y depende exclusivamente del valor de pico.

La tensión eficaz de rizado resulta ser igual a: 

Aproximación lineal de la forma de onda de salida de un circuito de onda completa con filtro por condensador.

.

A. INDA.R.-

36

Sin embargo, es necesario expresar Vr en función de la corriente en la carga y la capacidad.

Si T2 representa el tiempo total de no conducción, el condensador, cuando se descarga a la intensidad constante ICC pierde una cantidad de carga igual a ICC x T2.-

Por tanto, la variación de la tensión en bornes del condensador esICC x T2 / C , es decir:

 

32r

ef

VV

2TIQ

CVQ

CC

r

C

TIV CCr

2

.

A. INDA.R.-

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Cuanto mejor sea el filtro, menor será el tiempo de conducción T1, y T2 se aproximará más al valor del semiperiodo. Por tanto vamos a suponer que T2=T/2=1/2f, siendo f la frecuencia fundamental de la red industrial.

Así que:

LCC

CC

CC

efCCr

RCfVCf

I

V

Vr

Cf

IV

34

1

34 será rizado

2

.

A. INDA.R.-

38

Se ve que el rizado es inversamente proporcional a la resistencia de carga y a la capacidad.

La resistencia efectiva de salida Ro de la fuente de alimentación es igual al factor que multiplica a ICC en la última ecuación mostrada, es decir

Ro= 1 / 4 f C.

Esta resistencia de salida varía inversamente con la capacidad.

Por tanto, para conseguir que el rizado sea pequeño y la regulación buena, deben emplearse capacidades muy grandes.

El tipo de condensador más común para estos filtros es el electrolítico.

Las características favorables de los rectificadores que emplean filtros de entrada por condensador son: el pequeño rizado y la tensión alta con cargas pequeñas.

La tensión sin carga es igual, teóricamente, a la máxima del transformador.

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A. INDA.R.-

39

Las desventajas de este sistema son:Las desventajas de este sistema son:

la regulación relativamente mala y el elevado rizado con cargas grandes, y las corrientes máxima que han de soportar los diodos (hemos de tener en cuenta que el concepto de gran carga para un rectificador significa pequeña RL y viceversa).Durante el pequeño tiempo de conducción de los elementos rectificadores (T1) se debe proporcionar toda la intensidad de la fuente, puesto que el condensador sólo cede y almacena energía, de ahí los grandes picos de intensidad que deben soportar los elementos rectificadores.

Para limitar dichos picos se suele colocar una resistencia entre el elemento rectificador y el condensador, llamada resistencia limitadora RS, que suele tener un valor comprendido entre el 1% y el 10% de la resistencia de carga.

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A. INDA.R.-

40

EJEMPLO:

Se desea diseñar a partir de la red (220V-50Hz.) un rectificador en puente, con filtro capacitivo que proporcione una tensión continua de salida VCC de 9V para una corriente máxima de consumo de 2 A. Con un factor de rizado no superior al 5 %

DETERMINAR : LOS PARÁMETROS ELÉCTRICOS , PARA SELECCIONAR LOS DIODOS Y EL CONDENSADOR , SEGÚN EL CONSUMO.-

.

A. INDA.R.-

41

DESARROLLO :

a) Calculo de la capacidad C del filtro :

FC

VCCCf

ICC

RCfr

L

6415905,010034

2

3434

1%5

.

A. INDA.R.-

42

b) Calculo del voltaje de rizado peack to peack:

c) Calculo del tiempo de descarga del condensador T2 :

ppvVrCf

ICCVr

..56,1

1064151002

2

2 6

..521002

1

2

12 mSegT

fT

d) Calculo de V.Máx. :

.78,9.2

56,19

2.

2. vMAXV

VrVCCMAXV

VrMAXVVCC

e) Calculo del voltaje eficaz de la tensión de rizado :

.45,0.32

56,1

32. veficazV

VreficazV

.

A. INDA.R.-

43

f) Calculo del valor de la carga :

REGULACIÓN DE VOLTAJE :

-La tarjeta denominada fuente de alimentación , presenta un ultimo bloque denominado regulador y estabilizador de tensión.-

Esta etapa se encarga de mantener lo más constante posible el voltaje continuo de salida , de tal forma que las otras tarjetas electrónicas funcionen correctamente .-

La tensión VCC puede variar por dos motivos :

- Variación del voltaje de linea.-

- Variación del consumo o de la carga.-

Motivo por el cual se debe regular la tensión VCC.-

..5,42

9RL

ICC

VCCRL