Un rectificador es un dispositivo eléctrico que convierte corriente alterna (CA), que periódicamente invierte su dirección, en corriente continua (CC), que fluye en una sola dirección. La operación inversa (convertir CC en CA) la realiza un inversor .
El proceso se conoce como rectificación , ya que "endereza" la dirección de la corriente. Físicamente, los rectificadores adoptan diversas formas, incluidos diodos de tubos de vacío , celdas químicas húmedas, válvulas de arco de mercurio , pilas de placas de cobre y óxido de selenio , diodos semiconductores , rectificadores controlados por silicio y otros interruptores semiconductores basados en silicio. Históricamente se han utilizado incluso interruptores electromecánicos síncronos y grupos motogeneradores . Los primeros receptores de radio, llamados radios de cristal , utilizaban un " bigot de gato " de alambre fino que presionaba un cristal de galena (sulfuro de plomo) para que sirviera como rectificador de contacto puntual o "detector de cristales".
Los rectificadores tienen muchos usos, pero a menudo se encuentran sirviendo como componentes de fuentes de alimentación de CC y sistemas de transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje . La rectificación puede servir para otras funciones además de generar corriente continua para su uso como fuente de energía. Como se señaló, los rectificadores pueden servir como detectores de señales de radio . En los sistemas de calefacción de gas, la rectificación de llama se utiliza para detectar la presencia de una llama.
Dependiendo del tipo de suministro de corriente alterna y la disposición del circuito rectificador, el voltaje de salida puede requerir un suavizado adicional para producir un voltaje constante y uniforme. Muchas aplicaciones de los rectificadores, como fuentes de alimentación para radio, televisión y equipos informáticos, requieren un voltaje de CC constante (como el que produciría una batería ). En estas aplicaciones, la salida del rectificador se suaviza mediante un filtro electrónico , que puede ser un condensador , un inductor o un conjunto de condensadores, inductores y resistencias , seguido posiblemente de un regulador de voltaje para producir un voltaje constante.
Un circuito más complejo que realiza la función opuesta, es decir, convertir CC en CA, se denomina inversor .
Antes del desarrollo de los rectificadores semiconductores de silicio, se utilizaban diodos termoiónicos de tubo de vacío y pilas rectificadoras metálicas a base de óxido de cobre o selenio . [1] Los primeros diodos de tubo de vacío diseñados para aplicaciones rectificadoras en circuitos de suministro de energía fueron introducidos en abril de 1915 por Saul Dushman de General Electric. [2] [3] Con la introducción de la electrónica semiconductora, los rectificadores de tubo de vacío quedaron obsoletos, excepto para algunos entusiastas de los equipos de audio con tubo de vacío . Para la rectificación de potencia desde corrientes muy bajas a muy altas se utilizan ampliamente diodos semiconductores de diversos tipos ( diodos de unión , diodos Schottky , etc.).
Otros dispositivos que tienen electrodos de control además de actuar como válvulas de corriente unidireccionales se utilizan cuando se requiere algo más que una simple rectificación, por ejemplo, cuando se necesita un voltaje de salida variable. Los rectificadores de alta potencia, como los utilizados en la transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje , emplean dispositivos semiconductores de silicio de varios tipos. Estos son tiristores u otros interruptores de estado sólido de conmutación controlada, que funcionan efectivamente como diodos para pasar corriente en una sola dirección.
Los circuitos rectificadores pueden ser monofásicos o multifásicos. La mayoría de rectificadores de baja potencia para equipos domésticos son monofásicos, pero la rectificación trifásica es muy importante para aplicaciones industriales y para la transmisión de energía en forma de CC (HVDC).
En la rectificación de media onda de un suministro monofásico, se pasa la mitad positiva o negativa de la onda de CA, mientras que la otra mitad se bloquea. Debido a que sólo la mitad de la forma de onda de entrada llega a la salida, el voltaje medio es menor. La rectificación de media onda requiere un solo diodo en un suministro monofásico , o tres en un suministro trifásico . Los rectificadores producen una corriente continua unidireccional pero pulsante; Los rectificadores de media onda producen mucha más ondulación que los rectificadores de onda completa y se necesita mucho más filtrado para eliminar los armónicos de la frecuencia CA de la salida.
El voltaje CC de salida sin carga de un rectificador de media onda ideal para un voltaje de entrada sinusoidal es: [4]
dónde:
Un rectificador de onda completa convierte la totalidad de la forma de onda de entrada en una de polaridad constante (positiva o negativa) en su salida. Matemáticamente, esto corresponde a la función de valor absoluto . La rectificación de onda completa convierte ambas polaridades de la forma de onda de entrada en CC pulsante (corriente continua) y produce un voltaje de salida promedio más alto. Se necesitan dos diodos y un transformador con derivación central , o cuatro diodos en una configuración de puente y cualquier fuente de CA (incluido un transformador sin derivación central). [5] Los diodos semiconductores simples, los diodos dobles con cátodo común o ánodo común y los puentes de cuatro o seis diodos se fabrican como componentes individuales.
Para CA monofásica, si el transformador tiene una derivación central, entonces dos diodos consecutivos (cátodo a cátodo o ánodo a ánodo, dependiendo de la polaridad de salida requerida) pueden formar un rectificador de onda completa. Se requieren el doble de vueltas en el secundario del transformador para obtener el mismo voltaje de salida que para un puente rectificador, pero la potencia nominal no cambia.
Los voltajes de salida sin carga promedio y RMS de un rectificador monofásico de onda completa ideal son:
Los tubos de vacío rectificadores de doble diodo muy comunes contenían un único cátodo común y dos ánodos dentro de una sola envoltura, logrando una rectificación de onda completa con salida positiva. El 5U4 y el 80/5Y3 (4 pines)/(octal) fueron ejemplos populares de esta configuración.
Los rectificadores monofásicos se utilizan habitualmente para el suministro de energía a equipos domésticos. Sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones industriales y de alta potencia, los circuitos rectificadores trifásicos son la norma. Al igual que los rectificadores monofásicos, los rectificadores trifásicos pueden adoptar la forma de un circuito de media onda, un circuito de onda completa que utiliza un transformador con derivación central o un circuito puente de onda completa.
Los tiristores se usan comúnmente en lugar de diodos para crear un circuito que pueda regular el voltaje de salida. Muchos dispositivos que proporcionan corriente continua en realidad generan CA trifásica. Por ejemplo, el alternador de un automóvil contiene seis diodos, que funcionan como un rectificador de onda completa para cargar la batería.
Un circuito de punto medio de media onda trifásico no controlado requiere tres diodos, uno conectado a cada fase. Este es el tipo más simple de rectificador trifásico, pero sufre una distorsión armónica relativamente alta tanto en las conexiones de CA como de CC. Se dice que este tipo de rectificador tiene un número de impulsos de tres, ya que la tensión de salida en el lado de CC contiene tres impulsos distintos por ciclo de la frecuencia de la red:
Los valores máximos de esta tensión CC de tres impulsos se calculan a partir del valor RMS de la tensión de fase de entrada (tensión de línea a neutro, 120 V en Norteamérica, 230 V en Europa en funcionamiento con red): . El voltaje de salida promedio sin carga resulta de la integral bajo el gráfico de una media onda positiva con una duración de período de (de 30° a 150°):
Si el suministro de CA se alimenta a través de un transformador con una toma central, se puede obtener un circuito rectificador con un rendimiento armónico mejorado. Este rectificador ahora requiere seis diodos, uno conectado a cada extremo de cada devanado secundario del transformador . Este circuito tiene un número de pulsos de seis y, de hecho, puede considerarse como un circuito de media onda de seis fases.
Antes de que los dispositivos de estado sólido estuvieran disponibles, el circuito de media onda y el circuito de onda completa que usaba un transformador con derivación central se usaban muy comúnmente en rectificadores industriales que usaban válvulas de arco de mercurio . [6] Esto se debía a que las tres o seis entradas de suministro de CA podían alimentarse a un número correspondiente de electrodos de ánodo en un solo tanque, compartiendo un cátodo común.
Con la llegada de los diodos y tiristores, estos circuitos se han vuelto menos populares y el circuito puente trifásico se ha convertido en el circuito más común.
Para un puente rectificador trifásico no controlado, se utilizan seis diodos y el circuito nuevamente tiene un número de pulsos de seis. Por esta razón, también se le conoce comúnmente como puente de seis pulsos. El circuito B6 puede verse simplificado como una conexión en serie de dos circuitos centrales de tres pulsos.
Para aplicaciones de baja potencia, se fabrican como un único componente para este fin diodos dobles en serie, con el ánodo del primer diodo conectado al cátodo del segundo. Algunos diodos dobles disponibles comercialmente tienen los cuatro terminales disponibles para que el usuario pueda configurarlos para uso de suministro dividido monofásico, medio puente o rectificador trifásico.
Para aplicaciones de mayor potencia, normalmente se utiliza un único dispositivo discreto para cada uno de los seis brazos del puente. Para las potencias más altas, cada brazo del puente puede consistir en decenas o cientos de dispositivos separados en paralelo (donde se necesita corriente muy alta, por ejemplo en la fundición de aluminio ) o en serie (donde se necesitan voltajes muy altos, por ejemplo en transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje ).
La tensión continua pulsante resulta de las diferencias entre las tensiones de fase positiva y negativa instantáneas , desfasadas 30°:
El voltaje de salida promedio ideal sin carga del circuito B6 resulta de la integral bajo el gráfico de un pulso de voltaje de CC con una duración de período de (de 60° a 120°) con el valor pico :
Si el puente rectificador trifásico funciona simétricamente (como tensión de alimentación positiva y negativa), el punto central del rectificador en el lado de salida (o el llamado potencial de referencia aislado) opuesto al punto central del transformador (o el neutro) conductor) tiene una diferencia de potencial en forma de voltaje triangular de modo común . Por este motivo, estos dos centros nunca deben conectarse entre sí, ya que de lo contrario circularían corrientes de cortocircuito. De este modo, en funcionamiento simétrico, la masa del puente rectificador trifásico se desacopla del conductor neutro o de la masa de la tensión de red. Alimentado por un transformador, la conexión a tierra del punto central del puente es posible, siempre que el devanado secundario del transformador esté aislado eléctricamente de la tensión de red y el punto neutro del devanado secundario no esté a tierra. Sin embargo, en este caso circulan corrientes de fuga (insignificantes) por los devanados del transformador.
La tensión de modo común se forma a partir de los respectivos valores medios de las diferencias entre las tensiones de fase positiva y negativa, que forman la tensión continua pulsante. El valor máximo de las cantidades de voltaje delta1/4del valor pico de la tensión de entrada de fase y se calcula con menos la mitad de la tensión continua a 60° del período:
El valor RMS del voltaje en modo común se calcula a partir del factor de forma para oscilaciones triangulares:
Si el circuito funciona de forma asimétrica (como una simple tensión de alimentación con un solo polo positivo), tanto el polo positivo como el negativo (o el potencial de referencia aislado) pulsan frente al centro (o masa) de la tensión de entrada de forma análoga al polo positivo. y formas de onda negativas de los voltajes de fase. Sin embargo, las diferencias en los voltajes de fase dan como resultado un voltaje CC de seis pulsos (durante un período). Correspondientemente al funcionamiento simétrico se aplica la separación estricta del centro del transformador del polo negativo (de lo contrario circularán corrientes de cortocircuito) o una posible puesta a tierra del polo negativo cuando se alimenta mediante un transformador de aislamiento.
El puente rectificador trifásico controlado utiliza tiristores en lugar de diodos. La tensión de salida se reduce por el factor cos(α):
O, expresado en términos del voltaje de entrada línea a línea: [7]
dónde:
Las ecuaciones anteriores solo son válidas cuando no se extrae corriente del suministro de CA o en el caso teórico cuando las conexiones del suministro de CA no tienen inductancia. En la práctica, la inductancia de alimentación provoca una reducción de la tensión de salida de CC al aumentar la carga, normalmente en el rango del 10 al 20 % a plena carga.
El efecto de la inductancia de la oferta es ralentizar el proceso de transferencia (llamado conmutación) de una fase a la siguiente. Como resultado de esto, en cada transición entre un par de dispositivos, hay un período de superposición durante el cual tres (en lugar de dos) dispositivos en el puente conducen simultáneamente. El ángulo de superposición suele denominarse mediante el símbolo μ (o u) y puede ser de 20 a 30° a plena carga.
Teniendo en cuenta la inductancia de suministro, el voltaje de salida del rectificador se reduce a
El ángulo de superposición μ está directamente relacionado con la corriente continua y la ecuación anterior se puede reexpresar como
dónde:
Aunque son mejores que los rectificadores monofásicos o los rectificadores trifásicos de media onda, los circuitos rectificadores de seis pulsos aún producen una distorsión armónica considerable tanto en las conexiones de CA como de CC. Para rectificadores de muy alta potencia se suele utilizar la conexión en puente de doce pulsos. Un puente de doce pulsos consta de dos circuitos puente de seis pulsos conectados en serie, con sus conexiones de CA alimentadas desde un transformador de suministro que produce un cambio de fase de 30° entre los dos puentes. Esto cancela muchos de los armónicos característicos que producen los puentes de seis pulsos.
El cambio de fase de 30 grados generalmente se logra utilizando un transformador con dos juegos de devanados secundarios, uno en conexión en estrella (estrella) y otro en conexión en triángulo.
El rectificador simple de media onda se puede construir en dos configuraciones eléctricas con los diodos apuntando en direcciones opuestas, una versión conecta el terminal negativo de la salida directamente al suministro de CA y la otra conecta el terminal positivo de la salida directamente al suministro de CA. . Al combinar ambos con un suavizado de salida separado, es posible obtener un voltaje de salida de casi el doble del voltaje máximo de entrada de CA. Esto también proporciona un grifo en el medio, que permite el uso de dicho circuito como fuente de alimentación de carril dividido.
Una variante de esto es usar dos capacitores en serie para suavizar la salida en un puente rectificador y luego colocar un interruptor entre el punto medio de esos capacitores y uno de los terminales de entrada de CA. Con el interruptor abierto, este circuito actúa como un puente rectificador normal. Con el interruptor cerrado, actúa como un rectificador duplicador de voltaje. En otras palabras, esto hace que sea fácil derivar un voltaje de aproximadamente 320 V (±15%, aprox.) CC de cualquier fuente de alimentación de 120 V o 230 V en el mundo, esto luego se puede alimentar a un sistema de modo conmutado relativamente simple. fuente de alimentación . Sin embargo, para una ondulación deseada determinada, el valor de ambos condensadores debe ser el doble del valor del único requerido para un puente rectificador normal; cuando el interruptor está cerrado cada uno debe filtrar la salida de un rectificador de media onda, y cuando el interruptor está abierto los dos condensadores se conectan en serie con un valor equivalente a la mitad de ellos.
Se utilizan varias relaciones para cuantificar la función y el rendimiento de los rectificadores o su salida, incluido el factor de utilización del transformador (TUF), la relación de conversión ( η ), el factor de ondulación, el factor de forma y el factor de pico. Las dos medidas principales son el voltaje de CC (o compensación) y el voltaje de ondulación pico-pico, que son componentes constituyentes del voltaje de salida.
El índice de conversión (también llamado "índice de rectificación" y, de manera confusa, "eficiencia") η se define como la relación entre la potencia de salida de CC y la potencia de entrada del suministro de CA. Incluso con rectificadores ideales, la relación es inferior al 100% porque parte de la potencia de salida es CA en lugar de CC, lo que se manifiesta como una ondulación superpuesta a la forma de onda de CC. La relación se puede mejorar con el uso de circuitos de suavizado que reducen la ondulación y, por tanto, reducen el contenido de CA de la salida. La relación de conversión se reduce por las pérdidas en los devanados del transformador y la disipación de potencia en el propio elemento rectificador. Esta relación tiene poca importancia práctica porque un rectificador casi siempre va seguido de un filtro para aumentar el voltaje de CC y reducir la ondulación. En algunas aplicaciones trifásicas y multifásicas, la relación de conversión es lo suficientemente alta como para que no sea necesario un circuito de suavizado. [8] En otros circuitos, como los circuitos calentadores de filamento en la electrónica de tubos de vacío, donde la carga es casi completamente resistiva, se pueden omitir los circuitos de suavizado porque las resistencias disipan tanto la energía de CA como de CC, por lo que no se pierde energía.
Para un rectificador de media onda la relación es muy modesta.
Por tanto, la relación de conversión máxima para un rectificador de media onda es,
De manera similar, para un rectificador de onda completa,
Los rectificadores trifásicos, especialmente los rectificadores trifásicos de onda completa, tienen relaciones de conversión mucho mayores porque la ondulación es intrínsecamente menor.
Para un rectificador trifásico de media onda,
Para un rectificador trifásico de onda completa,
El factor de utilización del transformador (TUF) de un circuito rectificador se define como la relación entre la potencia de CC disponible en la resistencia de entrada y la clasificación de CA de la bobina de salida de un transformador. [9] [10]
La clasificación del transformador se puede definir como:
Ver también: Diodo § Tensión umbral directa para varios semiconductores
Un rectificador real característicamente reduce parte del voltaje de entrada (una caída de voltaje , para dispositivos de silicio, típicamente de 0,7 voltios más una resistencia equivalente, en general no lineal) y, a altas frecuencias, distorsiona las formas de onda de otras maneras. A diferencia de un rectificador ideal, disipa algo de potencia.
Un aspecto de la mayoría de las rectificaciones es una pérdida desde el voltaje máximo de entrada hasta el voltaje máximo de salida, causada por la caída de voltaje incorporada en los diodos (alrededor de 0,7 V para los diodos de unión p-n de silicio ordinarios y 0,3 V para los diodos Schottky ). La rectificación de media onda y la rectificación de onda completa utilizando un secundario con derivación central producen una pérdida de voltaje máxima de una caída de diodo. La rectificación del puente tiene una pérdida de dos caídas de diodo. Esto reduce el voltaje de salida y limita el voltaje de salida disponible si se debe rectificar un voltaje alterno muy bajo. Como los diodos no conducen por debajo de este voltaje, el circuito solo pasa corriente durante una parte de cada medio ciclo, lo que provoca que aparezcan segmentos cortos de voltaje cero (donde el voltaje de entrada instantáneo está por debajo de una o dos caídas de diodo) entre cada "joroba". ".
La pérdida máxima es muy importante para rectificadores de bajo voltaje (por ejemplo, 12 V o menos), pero es insignificante en aplicaciones de alto voltaje como los sistemas de transmisión de energía HVDC.
Las cargas no lineales, como los rectificadores, producen armónicos de corriente de la frecuencia de la fuente en el lado de CA y armónicos de tensión de la frecuencia de la fuente en el lado de CC, debido al comportamiento de conmutación.
El condensador de filtro libera su energía almacenada durante la parte del ciclo de CA cuando la fuente de CA no suministra energía, es decir, cuando la fuente de CA cambia la dirección del flujo de corriente.
El diagrama anterior muestra las formas de onda de voltaje del rendimiento del depósito cuando se suministra desde una fuente de voltaje con impedancia cercana a cero , como una fuente de alimentación. Ambos voltajes comienzan desde cero en el momento t=0 en el extremo izquierdo de la imagen, luego el voltaje del capacitor sigue al voltaje de CA rectificado a medida que aumenta, el capacitor se carga y se suministra corriente a la carga. Al final del cuarto de ciclo de la red, el condensador se carga al valor pico Vp de la tensión del rectificador. Después de esto, el voltaje de entrada del rectificador comienza a disminuir a su valor mínimo Vmin a medida que ingresa al siguiente cuarto de ciclo. Esto inicia la descarga del capacitor a través de la carga mientras el capacitor mantiene el voltaje de salida a la carga.
El tamaño del condensador C está determinado por la cantidad de ondulación r que puede tolerarse, donde r = (Vp-Vmin)/Vp. [13]
Estos circuitos se alimentan muy frecuentemente desde transformadores , los cuales pueden tener una importante impedancia interna en forma de resistencia y/o reactancia . La impedancia interna del transformador modifica la forma de onda del condensador del depósito, cambia el voltaje máximo e introduce problemas de regulación.
Para una carga determinada, el dimensionamiento de un condensador de suavizado es un equilibrio entre reducir el voltaje de rizado y aumentar la corriente de rizado. La corriente máxima se establece mediante la tasa de aumento de la tensión de alimentación en el flanco ascendente de la onda sinusoidal entrante, reducida por la resistencia de los devanados del transformador. Las corrientes de ondulación elevada aumentan las pérdidas I 2 R (en forma de calor) en los devanados del condensador, rectificador y transformador, y pueden exceder la ampacidad de los componentes o la clasificación VA del transformador. Los rectificadores de tubo de vacío especifican la capacitancia máxima del capacitor de entrada y los rectificadores de diodo SS también tienen limitaciones de corriente. Los condensadores para esta aplicación necesitan una ESR baja o la corriente ondulada puede sobrecalentarlos. Para limitar la ondulación del voltaje a un valor específico, el tamaño del capacitor requerido es proporcional a la corriente de carga e inversamente proporcional a la frecuencia de suministro y al número de picos de salida del rectificador por ciclo de entrada. La salida rectificada de onda completa requiere un condensador más pequeño porque tiene el doble de frecuencia que la salida rectificada de media onda. Para reducir la ondulación a un límite satisfactorio con un solo capacitor a menudo se requeriría un capacitor de tamaño poco práctico. Esto se debe a que la corriente nominal de rizado de un condensador no aumenta linealmente con el tamaño y también puede haber limitaciones de altura. Para aplicaciones de alta corriente se utilizan en su lugar bancos de condensadores.
También es posible colocar la forma de onda rectificada en un filtro de entrada estrangulador. La ventaja de este circuito es que la forma de onda de la corriente es más suave: la corriente se consume durante todo el ciclo, en lugar de ser consumida en pulsos en los picos de voltaje de CA en cada medio ciclo, como en un filtro de entrada de capacitor. La desventaja es que la salida de voltaje es mucho menor: el promedio de un medio ciclo de CA en lugar del pico; esto es aproximadamente el 90% del voltaje RMS versus el voltaje RMS (sin carga) para un filtro de entrada de capacitor. Esto se compensa con una regulación de voltaje superior y una mayor corriente disponible, que reducen las demandas de voltaje máximo y corriente de ondulación en los componentes de la fuente de alimentación. Los inductores requieren núcleos de hierro u otros materiales magnéticos y añaden peso y tamaño. Por lo tanto, su uso en fuentes de alimentación para equipos electrónicos ha disminuido en favor de circuitos semiconductores como los reguladores de voltaje. [14]
En los casos en los que el voltaje de ondulación es insignificante, como en los cargadores de baterías, el filtro de entrada puede ser una resistencia en serie única para ajustar el voltaje de salida al requerido por el circuito. Una resistencia reduce proporcionalmente tanto el voltaje de salida como el voltaje de ondulación. Una desventaja de un filtro de entrada de resistencia es que consume energía en forma de calor residual que no está disponible para la carga, por lo que se emplea sólo en circuitos de baja corriente.
Para reducir aún más la ondulación, el elemento de filtro inicial puede ir seguido de componentes de filtro en derivación y series alternas adicionales, o por un regulador de voltaje. Los componentes del filtro en serie pueden ser resistencias o estranguladores; Los elementos en derivación pueden ser resistencias o condensadores. El filtro puede aumentar el voltaje de CC y reducir la ondulación. Los filtros a menudo se construyen a partir de pares de componentes en serie/en derivación llamados secciones RC (resistencia en serie, capacitor en derivación) o LC (estrangulador en serie, capacitor en derivación). Dos geometrías de filtro comunes se conocen como filtros Pi (condensador, estrangulador, condensador) y T (estrangulador, condensador, estrangulador). A veces, los elementos en serie son resistencias, porque las resistencias son más pequeñas y más baratas, cuando es deseable o permisible una salida de CC más baja. Otro tipo de geometría de filtro especial es un filtro estrangulador resonante en serie o un filtro estrangulador sintonizado. A diferencia de otras geometrías de filtro que son filtros de paso bajo, un filtro de estrangulación resonante es un filtro de exclusión de banda: es una combinación paralela de estrangulador y condensador que resuena a la frecuencia del voltaje de ondulación, presentando una impedancia muy alta a la ondulación. . Puede ir seguido de un condensador en derivación para completar el filtro.
Una alternativa más habitual a los componentes de filtro adicionales, si la carga de CC requiere un voltaje de ondulación muy bajo, es seguir el filtro de entrada con un regulador de voltaje. Un regulador de voltaje opera según un principio diferente al de un filtro, que es esencialmente un divisor de voltaje que desvía el voltaje a la frecuencia de ondulación lejos de la carga. Más bien, un regulador aumenta o disminuye la corriente suministrada a la carga para mantener un voltaje de salida constante.
Un regulador de voltaje en derivación pasivo simple puede consistir en una resistencia en serie para reducir el voltaje de la fuente al nivel requerido y una derivación de diodo Zener con voltaje inverso igual al voltaje establecido. Cuando el voltaje de entrada aumenta, el diodo descarga corriente para mantener el voltaje de salida establecido. Este tipo de regulador generalmente se emplea sólo en circuitos de bajo voltaje y baja corriente porque los diodos Zener tienen limitaciones tanto de voltaje como de corriente. También es muy ineficiente porque descarga el exceso de corriente, que no está disponible para la carga.
Una alternativa más eficiente a un regulador de voltaje en derivación es un circuito regulador de voltaje activo . Un regulador activo emplea componentes reactivos para almacenar y descargar energía, de modo que la mayor parte o toda la corriente suministrada por el rectificador pasa a la carga. También puede utilizar retroalimentación negativa y positiva junto con al menos un componente amplificador de voltaje, como un transistor, para mantener el voltaje de salida cuando cae el voltaje de la fuente. El filtro de entrada debe evitar que los valles de la ondulación caigan por debajo del voltaje mínimo requerido por el regulador para producir el voltaje de salida requerido. El regulador sirve tanto para reducir significativamente la ondulación como para hacer frente a las variaciones en las características de suministro y carga.
La aplicación principal de los rectificadores es obtener energía CC de una fuente de CA (convertidor de CA a CC). Los rectificadores se utilizan dentro de las fuentes de alimentación de prácticamente todos los equipos electrónicos. Las fuentes de alimentación CA/CC se pueden dividir en términos generales en fuentes de alimentación lineales y fuentes de alimentación de modo conmutado . En tales fuentes de alimentación, el rectificador estará en serie después del transformador y será seguido por un filtro suavizador y posiblemente un regulador de voltaje.
Convertir energía CC de un voltaje a otro es mucho más complicado. Un método de conversión de CC a CC primero convierte la energía a CA (usando un dispositivo llamado inversor ), luego usa un transformador para cambiar el voltaje y finalmente rectifica la energía nuevamente a CC. Normalmente se utiliza una frecuencia de varias decenas de kilohercios, ya que requiere una inductancia mucho menor que a frecuencias más bajas y evita el uso de transformadores con núcleo de hierro pesados, voluminosos y costosos. Otro método de conversión de voltajes CC utiliza una bomba de carga , utilizando conmutación rápida para cambiar las conexiones de los condensadores; Esta técnica generalmente se limita a suministros de hasta un par de vatios, debido al tamaño de los condensadores necesarios.
Los rectificadores también se utilizan para la detección de señales de radio de amplitud modulada . La señal puede amplificarse antes de la detección. En caso contrario, se debe utilizar un diodo de caída de tensión muy baja o un diodo polarizado con una tensión fija. Cuando se utiliza un rectificador para demodulación, el capacitor y la resistencia de carga deben combinarse cuidadosamente: una capacitancia demasiado baja hace que la portadora de alta frecuencia pase a la salida, y demasiado alta hace que el capacitor simplemente se cargue y permanezca cargado.
Los rectificadores suministran voltaje polarizado para soldar . En tales circuitos se requiere control de la corriente de salida; Esto a veces se logra reemplazando algunos de los diodos en un puente rectificador con tiristores , efectivamente diodos cuya salida de voltaje se puede regular encendiendo y apagando con controladores de fase .
Los tiristores se utilizan en diversas clases de sistemas de material rodante ferroviario para poder lograr un control preciso de los motores de tracción. Los tiristores de apagado de puerta se utilizan para producir corriente alterna a partir de un suministro de CC, por ejemplo en los trenes Eurostar para alimentar los motores de tracción trifásicos . [15]
Antes de 1905, aproximadamente, cuando se desarrollaron los rectificadores de tipo tubo, los dispositivos de conversión de energía tenían un diseño puramente electromecánico. Los rectificadores mecánicos utilizaban alguna forma de rotación o vibración resonante impulsada por electroimanes, que accionaban un interruptor o conmutador para invertir la corriente.
Estos rectificadores mecánicos eran ruidosos y requerían altos requisitos de mantenimiento, incluida la lubricación y la sustitución de piezas móviles por desgaste. La apertura de contactos mecánicos bajo carga provocaba arcos eléctricos y chispas que calentaban y erosionaban los contactos. Tampoco pudieron manejar frecuencias de CA superiores a varios miles de ciclos por segundo.
Para convertir corriente alterna en continua en locomotoras eléctricas , se puede utilizar un rectificador síncrono. [ cita necesaria ] Consiste en un motor síncrono que acciona un conjunto de contactos eléctricos de alta resistencia. El motor gira al mismo tiempo que la frecuencia de CA y periódicamente invierte las conexiones a la carga en un instante en que la corriente sinusoidal pasa por un cruce por cero. Los contactos no tienen que conmutar una gran corriente, pero deben poder transportar una gran corriente para alimentar los motores de tracción de CC de la locomotora .
Estos consistían en una caña resonante , vibrada por un campo magnético alterno creado por un electroimán de CA , con contactos que invertían la dirección de la corriente en los semiciclos negativos. Se utilizaban en dispositivos de baja potencia, como cargadores de baterías , para rectificar la baja tensión producida por un transformador reductor. Otro uso fue en fuentes de alimentación de batería para radios portátiles de tubo de vacío, para proporcionar alto voltaje de CC a los tubos. Estos funcionaban como una versión mecánica de los modernos inversores de conmutación de estado sólido , con un transformador para aumentar el voltaje de la batería y un conjunto de contactos vibratorios en el núcleo del transformador, operados por su campo magnético , para interrumpir repetidamente la corriente CC de la batería y crear una CA pulsante para alimentar el transformador. Luego, un segundo conjunto de contactos rectificadores en el vibrador rectificaba el alto voltaje de CA del secundario del transformador a CC.
Un conjunto motor-generador , o un convertidor rotativo similar , no es estrictamente un rectificador, ya que en realidad no rectifica corriente, sino que genera CC a partir de una fuente de CA. En un "conjunto MG", el eje de un motor de CA está acoplado mecánicamente al de un generador de CC . El generador de CC produce corrientes alternas multifásicas en los devanados del inducido , que un conmutador situado en el eje del inducido convierte en una salida de corriente continua; o un generador homopolar produce una corriente continua sin necesidad de un conmutador. Los conjuntos MG son útiles para producir CC para motores de tracción ferroviaria, motores industriales y otras aplicaciones de alta corriente, y eran comunes en muchos usos de CC de alta potencia (por ejemplo, proyectores con lámparas de arco de carbono para cines al aire libre) antes de que se convirtieran en semiconductores de alta potencia. ampliamente disponible.
El rectificador electrolítico [16] fue un dispositivo de principios del siglo XX que ya no se utiliza. En el libro de 1913 The Boy Mechanic [17] se ilustra una versión casera , pero sería adecuada para su uso sólo a voltajes muy bajos debido al bajo voltaje de ruptura y al riesgo de descarga eléctrica . GW Carpenter patentó un dispositivo más complejo de este tipo en 1928 (patente estadounidense 1671970). [18]
Cuando dos metales diferentes se suspenden en una solución electrolítica, la corriente directa que fluye en un sentido a través de la solución encuentra menos resistencia que en el otro sentido. Los rectificadores electrolíticos utilizan más comúnmente un ánodo de aluminio y un cátodo de plomo o acero, suspendidos en una solución de ortofosfato de triamonio.
La acción de rectificación se debe a una fina capa de hidróxido de aluminio sobre el electrodo de aluminio, formada aplicando primero una fuerte corriente a la celda para formar la capa. El proceso de rectificación es sensible a la temperatura y, para obtener la mejor eficiencia, no debe funcionar a más de 86 °F (30 °C). También hay un voltaje de ruptura donde se penetra el recubrimiento y la celda sufre un cortocircuito. Los métodos electroquímicos suelen ser más frágiles que los métodos mecánicos y pueden ser sensibles a las variaciones de uso, que pueden cambiar drásticamente o interrumpir por completo los procesos de rectificación.
En la misma época se utilizaron dispositivos electrolíticos similares como pararrayos suspendiendo muchos conos de aluminio en un tanque de solución de ortofosfato de triamonio. A diferencia del rectificador anterior, solo se usaron electrodos de aluminio y, al usarse con CA, no hubo polarización y, por lo tanto, no hubo acción rectificadora, pero la química fue similar. [19]
El condensador electrolítico moderno , un componente esencial de la mayoría de las configuraciones de circuitos rectificadores, también se desarrolló a partir del rectificador electrolítico.
El desarrollo de la tecnología de tubos de vacío a principios del siglo XX resultó en la invención de varios rectificadores de tipo tubo, que reemplazaron en gran medida a los ruidosos e ineficientes rectificadores mecánicos.
Un rectificador utilizado en sistemas de transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje (HVDC) y procesamiento industrial entre aproximadamente 1909 y 1975 es un rectificador de arco de mercurio o una válvula de arco de mercurio . El dispositivo está encerrado en un recipiente de vidrio con forma de bulbo o en una gran tina de metal. Un electrodo, el cátodo , se sumerge en un charco de mercurio líquido en el fondo del recipiente y uno o más electrodos de grafito de alta pureza, llamados ánodos , se suspenden sobre el charco. Puede haber varios electrodos auxiliares para ayudar a iniciar y mantener el arco. Cuando se establece un arco eléctrico entre el baño catódico y los ánodos suspendidos, una corriente de electrones fluye desde el cátodo a los ánodos a través del mercurio ionizado, pero no al revés (en principio, esta es una contraparte de mayor potencia a la rectificación de llama ). que utiliza las mismas propiedades de transmisión de corriente unidireccional del plasma presente naturalmente en una llama).
Estos dispositivos se pueden utilizar a niveles de potencia de cientos de kilovatios y se pueden construir para manejar de una a seis fases de corriente alterna. Los rectificadores de arco de mercurio fueron reemplazados por rectificadores semiconductores de silicio y circuitos de tiristores de alta potencia a mediados de la década de 1970. Los rectificadores de arco de mercurio más potentes jamás construidos se instalaron en el proyecto HVDC bipolar del río Nelson de Manitoba Hydro , con una potencia combinada de más de 1 GW y 450 kV. [20] [21]
El rectificador Tungar de General Electric era un dispositivo de tubo de electrones lleno de gas de vapor de mercurio (ej.: 5B24) o argón (ej.: 328) con un cátodo de filamento de tungsteno y un ánodo de botón de carbono. Funcionó de manera similar al diodo de tubo de vacío termoiónico, pero el gas en el tubo se ionizó durante la conducción directa, lo que le dio una caída de voltaje directo mucho menor para que pudiera rectificar voltajes más bajos. Se utilizó para cargadores de baterías y aplicaciones similares desde la década de 1920 hasta que lo suplantaron rectificadores metálicos de menor costo y, más tarde, diodos semiconductores. Estos se fabricaban con unos pocos cientos de voltios y unos pocos amperios, y en algunos tamaños se parecían mucho a una lámpara incandescente con un electrodo adicional.
El 0Z4 era un tubo rectificador lleno de gas comúnmente utilizado en radios de automóviles con tubos de vacío en las décadas de 1940 y 1950. Era un tubo rectificador de onda completa convencional con dos ánodos y un cátodo, pero era único porque no tenía filamento (de ahí el "0" en su número de tipo). Los electrodos tenían una forma tal que el voltaje de ruptura inverso era mucho mayor que el voltaje de ruptura directo. Una vez que se excedió el voltaje de ruptura, el 0Z4 cambió a un estado de baja resistencia con una caída de voltaje directo de aproximadamente 24 V.
El diodo termoiónico de tubo de vacío , originalmente llamado válvula de Fleming , fue inventado por John Ambrose Fleming en 1904 como detector de ondas de radio en receptores de radio, y evolucionó hasta convertirse en un rectificador general. Consistía en una bombilla de vidrio al vacío con un filamento calentado por una corriente separada y un ánodo de placa de metal . El filamento emitía electrones por emisión termoiónica (el efecto Edison), descubierto por Thomas Edison en 1884, y un voltaje positivo en la placa provocaba una corriente de electrones a través del tubo desde el filamento hasta la placa. Dado que solo el filamento producía electrones, el tubo solo conduciría corriente en una dirección, lo que permitiría que el tubo rectificara una corriente alterna.
Los rectificadores de diodos termoiónicos se utilizaron ampliamente en fuentes de alimentación en productos electrónicos de consumo con tubos de vacío, como fonógrafos, radios y televisores, por ejemplo el receptor de radio All American Five , para proporcionar el alto voltaje de placa de CC que necesitan otros tubos de vacío. Las versiones de "onda completa" con dos placas separadas eran populares porque podían usarse con un transformador de derivación central para hacer un rectificador de onda completa. Los rectificadores de tubo de vacío se fabricaron para voltajes muy altos, como el suministro de energía de alto voltaje para el tubo de rayos catódicos de los receptores de televisión y el kenotrón utilizado para el suministro de energía en equipos de rayos X. Sin embargo, en comparación con los diodos semiconductores modernos, los rectificadores de tubo de vacío tienen una alta resistencia interna debido a la carga espacial y, por lo tanto, altas caídas de voltaje, lo que provoca una alta disipación de potencia y una baja eficiencia. Rara vez pueden manejar corrientes superiores a 250 mA debido a los límites de disipación de energía de la placa y no pueden usarse para aplicaciones de bajo voltaje, como cargadores de baterías. Otra limitación del rectificador de tubo de vacío es que la fuente de alimentación del calentador a menudo requiere disposiciones especiales para aislarlo de los altos voltajes del circuito rectificador.
El detector de cristal fue el primer tipo de diodo semiconductor. Inventado por Jagadish Chandra Bose y desarrollado por GW Pickard a partir de 1902, supuso una mejora significativa con respecto a detectores anteriores como el coherer. El detector de cristal se utilizaba ampliamente antes de que estuvieran disponibles los tubos de vacío. Un tipo popular de detector de cristal, a menudo llamado detector de bigotes de gato , consiste en un cristal de algún mineral semiconductor , generalmente galena (sulfuro de plomo), con un alambre ligero y elástico que toca su superficie. Su fragilidad y capacidad de corriente limitada lo hacían inadecuado para aplicaciones de suministro de energía. En la década de 1930, los investigadores miniaturizaron y mejoraron el detector de cristal para su uso en frecuencias de microondas.
Estas unidades, que alguna vez fueron comunes hasta que fueron reemplazadas por rectificadores de estado sólido de silicio más compactos y menos costosos en la década de 1970, utilizaban pilas de placas metálicas recubiertas de óxido y aprovechaban las propiedades semiconductoras del selenio o el óxido de cobre. [22] Si bien los rectificadores de selenio eran más livianos y consumían menos energía que los rectificadores de tubo de vacío comparables, tenían la desventaja de una esperanza de vida finita, aumentaban la resistencia con el tiempo y solo eran adecuados para su uso en bajas frecuencias. Tanto los rectificadores de selenio como los de óxido de cobre tienen una tolerancia algo mejor a los transitorios de voltaje momentáneos que los rectificadores de silicio.
Normalmente, estos rectificadores estaban formados por pilas de placas o arandelas de metal, unidas por un perno central, y el número de pilas estaba determinado por el voltaje; cada celda tenía una capacidad nominal de aproximadamente 20 V. Un cargador rectificador de batería de automóvil podría tener sólo una celda: la fuente de alimentación de alto voltaje para un tubo de vacío podría tener docenas de placas apiladas. La densidad de corriente en una pila de selenio enfriada por aire era de aproximadamente 600 mA por pulgada cuadrada de área activa (aproximadamente 90 mA por centímetro cuadrado).
Los diodos de silicio son los rectificadores más utilizados para voltajes y potencias más bajos, y han reemplazado en gran medida a otros rectificadores. Debido a su voltaje directo sustancialmente más bajo (0,3 V frente a 0,7 V para los diodos de silicio), los diodos de germanio tienen una ventaja inherente sobre los diodos de silicio en circuitos de bajo voltaje.
En aplicaciones de alta potencia, de 1975 a 2000, la mayoría de los rectificadores de arco con válvula de mercurio fueron reemplazados por pilas de tiristores de muy alta potencia , dispositivos de silicio con dos capas adicionales de semiconductor, en comparación con un simple diodo.
En aplicaciones de transmisión de potencia media, sistemas rectificadores semiconductores de silicio con convertidor de voltaje (VSC) aún más complejos y sofisticados, como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y los tiristores de apagado de puerta (GTO) , han hecho que la transmisión de potencia de CC de alto voltaje sea más pequeña. sistemas económicos. Todos estos dispositivos funcionan como rectificadores.
A partir de 2009, [update]se esperaba que estos "interruptores autoconmutantes" de silicio de alta potencia, en particular los IGBT y una variante de tiristor (relacionado con el GTO) llamado tiristor conmutado por puerta integrada (IGCT), aumentaran en potencia. hasta el punto de que eventualmente reemplazarían los sistemas simples de rectificación de CA basados en tiristores para las aplicaciones de CC de mayor transmisión de potencia. [23]
La rectificación activa es una técnica para mejorar la eficiencia de la rectificación reemplazando diodos con interruptores controlados activamente, como transistores , generalmente MOSFET de potencia o BJT de potencia . [24] Mientras que los diodos semiconductores normales tienen una caída de voltaje aproximadamente fija de alrededor de 0,5 a 1 voltio, los rectificadores activos se comportan como resistencias y pueden tener una caída de voltaje arbitrariamente baja.
Históricamente, los interruptores accionados por vibradores o los conmutadores accionados por motor también se han utilizado para rectificadores mecánicos y rectificación sincrónica. [25]
La rectificación activa tiene muchas aplicaciones. Se utiliza con frecuencia en conjuntos de paneles fotovoltaicos para evitar el flujo de corriente inversa que puede causar sobrecalentamiento con sombreado parcial y al mismo tiempo proporcionar una pérdida de energía mínima.
Un área importante de investigación es el desarrollo de rectificadores de mayor frecuencia, que puedan rectificar en terahercios y frecuencias de luz. Estos dispositivos se utilizan en la detección óptica heterodina , que tiene innumerables aplicaciones en comunicaciones por fibra óptica y relojes atómicos . Otra posible aplicación de estos dispositivos es rectificar directamente las ondas de luz captadas por pequeñas antenas , llamadas nantennas , para producir energía eléctrica de CC. [26] Se cree que los conjuntos de antenas podrían ser un medio más eficiente para producir energía solar que las células solares .
Un área de investigación relacionada es el desarrollo de rectificadores más pequeños, porque un dispositivo más pequeño tiene una frecuencia de corte más alta. Los proyectos de investigación intentan desarrollar un rectificador unimolecular , una única molécula orgánica que funcionaría como rectificador.
Los primeros 25 años de transmisión HVDC se sustentaron mediante convertidores que tenían válvulas de arco de mercurio hasta mediados de la década de 1970. Los siguientes 25 años, hasta el año 2000, se sustentaron en convertidores conmutados en línea que utilizaban válvulas de tiristores. Se prevé que los próximos 25 años estarán dominados por los convertidores de conmutación de fuerza [4]. Inicialmente, esta nueva era de conmutación forzada comenzó con los convertidores conmutados por condensadores (CCC), que eventualmente fueron reemplazados por convertidores con conmutación automática debido a la disponibilidad económica de dispositivos de conmutación de alta potencia con características superiores.
Conmutador rectificador síncrono.
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![{\displaystyle {\begin{alineado}{\hat {v}}_{\text{modo común}}={}&V_{\mathrm {pico} }-{\frac {{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {pico} }\cdot \sin 60^{\circ }}{2}}\\[8pt]={}&V_{\mathrm {pico} }\cdot {\Biggl (}1-{\ frac {{\sqrt {3}}\cdot \sin 60^{\circ }}{2}}{\Biggl )}=V_{\mathrm {pico} }\cdot 0.25\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a0c927978f2c3896340622f32dc6ec37eaa28c9c)
