Un rectificador es un dispositivo eléctrico que convierte la corriente alterna (CA), que periódicamente invierte su dirección, en corriente continua (CC), que fluye en una sola dirección.
El proceso se conoce como rectificación , ya que "endereza" la dirección de la corriente. Físicamente, los rectificadores adoptan varias formas, incluidos los diodos de tubo de vacío , las celdas químicas húmedas, las válvulas de arco de mercurio , las pilas de placas de óxido de cobre y selenio , los diodos semiconductores , los rectificadores controlados por silicio y otros interruptores semiconductores basados en silicio. Históricamente, se han utilizado incluso interruptores electromecánicos sincrónicos y grupos electrógenos . Los primeros receptores de radio, llamados radios de cristal , utilizaban un " bigote 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 cristal".
Los rectificadores tienen muchos usos, pero a menudo se encuentran como componentes de fuentes de alimentación de CC y sistemas de transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje . La rectificación puede cumplir otras funciones además de generar corriente continua para usarla como fuente de energía. Como se señaló, los rectificadores pueden servir como detectores de señales de radio . En los sistemas de calefacción a gas, la rectificación de llama se utiliza para detectar la presencia de una llama.
Dependiendo del tipo de suministro de corriente alterna y de la disposición del circuito rectificador, el voltaje de salida puede requerir un suavizado adicional para producir un voltaje constante y uniforme. Muchas aplicaciones de rectificadores, como las fuentes de alimentación para equipos de radio, televisión y computadoras, requieren un voltaje de CC constante y estable (como el que produciría una batería ). En estas aplicaciones, la salida del rectificador se suaviza mediante un filtro electrónico , que puede ser un capacitor , un estrangulador o un conjunto de capacitores, estranguladores y resistencias , posiblemente seguido de un regulador de voltaje para producir un voltaje constante.
Un dispositivo que realiza la función opuesta, es decir, convertir CC en CA, se llama inversor .
Antes del desarrollo de los rectificadores de semiconductores de silicio, se utilizaban diodos termoiónicos de tubo de vacío y pilas rectificadoras de metal basadas en óxido de cobre o selenio . [1] Los primeros diodos de tubo de vacío diseñados para aplicaciones de rectificador 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 de semiconductores, los rectificadores de tubo de vacío se volvieron obsoletos, excepto para algunos entusiastas de los equipos de audio de tubo de vacío . Para la rectificación de potencia de corriente muy baja a muy alta, se utilizan ampliamente diodos semiconductores de varios tipos ( diodos de unión , diodos Schottky , etc.).
Otros dispositivos que tienen electrodos de control y que además actúan como válvulas de corriente unidireccionales se utilizan cuando se requiere algo más que una rectificación simple, por ejemplo, cuando se necesita una tensión de salida variable. Los rectificadores de alta potencia, como los que se utilizan en la transmisión de corriente continua de alto voltaje , emplean dispositivos semiconductores de silicio de varios tipos. Se trata de tiristores u otros interruptores de estado sólido de conmutación controlada, que funcionan efectivamente como diodos para pasar la corriente en una sola dirección.
Los circuitos rectificadores pueden ser monofásicos o polifásicos. La mayoría de los 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 corriente continua (HVDC).
En la rectificación de media onda de una fuente monofásica, se deja pasar la mitad positiva o negativa de la onda de CA, mientras que la otra mitad se bloquea. Debido a que solo 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 una fuente monofásica , o tres en una fuente trifásica . 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 de CA de la salida.
El voltaje de 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 toda 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 toma central , o cuatro diodos en una configuración de puente y cualquier fuente de CA (incluido un transformador sin toma central). [5] Los diodos semiconductores simples, los diodos dobles con un cátodo común o un ánodo común y los puentes de cuatro o seis diodos se fabrican como componentes individuales.
En el caso de corriente alterna monofásica, si el transformador tiene una toma central, dos diodos conectados en serie (cátodo a cátodo o ánodo a ánodo, según 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 rectificador de puente, pero la potencia nominal no cambia.
Los voltajes de salida promedio y RMS sin carga de un rectificador de onda completa monofásico ideal son:
Los tubos de vacío rectificadores de doble diodo muy comunes contenían un solo 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 mediante un transformador con toma central o un circuito de puente de onda completa.
Los tiristores se utilizan habitualmente en lugar de diodos para crear un circuito que pueda regular el voltaje de salida. Muchos dispositivos que proporcionan corriente continua en realidad "generan" corriente alterna trifásica. Por ejemplo, un alternador de automóvil contiene nueve diodos, seis de los cuales funcionan como rectificador de onda completa para cargar la batería.
Un circuito trifásico no controlado de punto medio de media onda 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 pulsos de tres, ya que el voltaje de salida en el lado de CC contiene tres pulsos distintos por ciclo de la frecuencia de la red:
Los valores pico de esta tensión continua de tres pulsos se calculan a partir del valor eficaz de la tensión de fase de entrada (tensión de línea a neutro, 120 V en Norteamérica, 230 V en Europa en funcionamiento con red eléctrica): . La tensión de salida media sin carga resulta de la integral bajo el gráfico de una semionda positiva con una duración de período de (de 30° a 150°):
Si la alimentación de CA se realiza 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 bobinado secundario del transformador . Este circuito tiene un número de pulsos de seis y, en efecto, se puede considerar 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 utiliza un transformador con toma central se usaban muy comúnmente en rectificadores industriales que utilizaban 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 de puente trifásico se ha convertido en el circuito más común.
Para un rectificador de puente trifásico no controlado, se utilizan seis diodos y el circuito tiene nuevamente un número de pulsos de seis. Por este motivo, también se lo conoce comúnmente como puente de seis pulsos . El circuito B6 se puede ver simplificado como una conexión en serie de dos circuitos centrales de tres pulsos.
Para aplicaciones de baja potencia, se fabrican diodos dobles en serie, con el ánodo del primer diodo conectado al cátodo del segundo, como un único componente para este fin. Algunos diodos dobles disponibles en el mercado tienen los cuatro terminales disponibles, de modo que el usuario puede configurarlos para su uso con alimentación dividida monofásica, medio puente o rectificador trifásico.
Para aplicaciones de mayor potencia, se suele utilizar un único dispositivo discreto para cada uno de los seis brazos del puente. Para las potencias más altas, cada brazo del puente puede constar de decenas o cientos de dispositivos separados en paralelo (donde se necesita una corriente muy alta, por ejemplo, en la fundición de aluminio ) o en serie (donde se necesitan voltajes muy altos, por ejemplo, en la transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje ).
La tensión continua pulsante resulta de las diferencias de las tensiones de fase instantáneas positiva y negativa , desfasadas 30°:
La tensión de salida promedio ideal sin carga del circuito B6 resulta de la integral bajo el gráfico de un pulso de tensión CC con una duración de período de (de 60° a 120°) con el valor pico :
Si el rectificador de puente 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 conductor neutro) tiene una diferencia de potencial en forma de una tensión de modo común triangular . Por este motivo, estos dos centros nunca deben estar conectados entre sí, de lo contrario fluirían corrientes de cortocircuito. La tierra del rectificador de puente trifásico en funcionamiento simétrico está desacoplada del conductor neutro o de la tierra de la tensión de red. Con alimentación a través de un transformador, es posible la conexión a tierra del punto central del puente, siempre que el devanado secundario del transformador esté aislado eléctricamente de la tensión de red y el punto estrella del devanado secundario no esté en tierra. Sin embargo, en este caso, fluyen corrientes de fuga (despreciables) por los devanados del transformador.
La tensión de modo común se forma a partir de los valores medios respectivos de las diferencias entre las tensiones de fase positiva y negativa, que forman la tensión continua pulsante. El valor pico de la tensión delta asciende a 1/4 del valor pico de la tensión de entrada de fase y se calcula con menos la mitad de la tensión CC a 60° del período:
El valor RMS del voltaje de modo común se calcula a partir del factor de forma para oscilaciones triangulares:
Si el circuito funciona de forma asimétrica (como una tensión de alimentación simple con un solo polo positivo), tanto el polo positivo como el negativo (o el potencial de referencia aislado) pulsan en sentido opuesto al centro (o a la masa) de la tensión de entrada, de forma análoga a las formas de onda positiva y negativa de las tensiones de fase. Sin embargo, las diferencias en las tensiones de fase dan como resultado la tensión continua de seis pulsos (a lo largo de un período). La separación estricta del centro del transformador del polo negativo (de lo contrario, fluirán corrientes de cortocircuito) o una posible conexión a tierra del polo negativo cuando se alimenta mediante un transformador de aislamiento se aplican de forma correspondiente al funcionamiento simétrico.
El rectificador de puente 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 de línea a línea: [7]
dónde:
Las ecuaciones anteriores solo son válidas cuando no se extrae corriente de la fuente de alimentación de CA o, en el caso teórico, cuando las conexiones de la fuente de alimentación de CA no tienen inductancia. En la práctica, la inductancia de la fuente provoca una reducción de la tensión de salida de CC con el aumento de la carga, normalmente en el rango del 10 al 20 % a plena carga.
El efecto de la inductancia de la fuente de alimentación 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 se suele indicar con el símbolo μ (o u) y puede ser de 20 a 30° a plena carga.
Teniendo en cuenta la inductancia de alimentación, la tensión de salida del rectificador se reduce a
El ángulo de superposición μ está directamente relacionado con la corriente CC y la ecuación anterior puede reexpresarse como
dónde:
Aunque son mejores que los rectificadores monofásicos o los rectificadores de media onda trifásicos, 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 de puente de doce pulsos. Un puente de doce pulsos consta de dos circuitos de puente de seis pulsos conectados en serie, con sus conexiones de CA alimentadas desde un transformador de alimentación que produce un desfase 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 y otro en conexión delta.
El rectificador de media onda simple se puede construir en dos configuraciones eléctricas con los diodos apuntando en direcciones opuestas: una versión conecta el terminal negativo de la salida directa a la fuente de alimentación de CA y la otra conecta el terminal positivo de la salida directa a la fuente de alimentación de CA. Al combinar ambos con suavizado de salida independiente, es posible obtener un voltaje de salida de casi el doble del voltaje pico de entrada de CA. Esto también proporciona una toma en el medio, que permite el uso de un circuito de este tipo como una fuente de alimentación de riel dividido.
Una variante de esto es utilizar dos condensadores en serie para suavizar la salida en un rectificador de puente y luego colocar un interruptor entre el punto medio de esos condensadores y uno de los terminales de entrada de CA. Con el interruptor abierto, este circuito actúa como un rectificador de puente normal. Con el interruptor cerrado, actúa como un rectificador de duplicación de voltaje. En otras palabras, esto hace que sea fácil derivar un voltaje de aproximadamente 320 V (±15%, aprox.) CC de cualquier suministro de red de 120 V o 230 V en el mundo, que luego se puede alimentar a una fuente de alimentación de modo conmutado relativamente simple . Sin embargo, para una ondulación deseada dada, el valor de ambos condensadores debe ser el doble del valor del único requerido para un rectificador de puente 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 están conectados en serie con un valor equivalente a la mitad de uno de ellos.
En un multiplicador de tensión Cockcroft-Walton , etapas de condensadores y diodos se conectan en cascada para amplificar una tensión baja de CA a una tensión alta de CC. Estos circuitos son capaces de producir un potencial de tensión de salida de CC hasta aproximadamente diez veces la tensión de entrada de CA pico, en la práctica limitado por problemas de capacidad de corriente y regulación de tensión. Los multiplicadores de tensión de diodo, que se utilizan con frecuencia como etapa de refuerzo de cola o fuente de alta tensión (HV) primaria, se utilizan en fuentes de alimentación láser de alta tensión, dispositivos de alimentación como tubos de rayos catódicos (CRT) (como los que se utilizan en televisores basados en CRT, radares y pantallas de sonar), dispositivos de amplificación de fotones que se encuentran en tubos intensificadores de imagen y fotomultiplicadores (PMT), y dispositivos de radiofrecuencia (RF) basados en magnetrones que se utilizan en transmisores de radar y hornos microondas. Antes de la introducción de la electrónica de semiconductores, los receptores de tubo de vacío sin transformador alimentados directamente con energía de CA a veces utilizaban duplicadores de tensión para generar aproximadamente 300 VCC a partir de una línea de alimentación de 100 a 120 V.
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 la tensión de CC (o compensación) y la tensión de ondulación pico-pico, que son componentes constituyentes de la tensión de salida.
La relación de conversión (también llamada "relación 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 de la fuente de alimentación 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 lo 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 los circuitos de suavizado sean innecesarios. [8] En otros circuitos, como los circuitos de 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 CA como la CC, por lo que no se pierde energía.
Para un rectificador de media onda la relación es muy modesta.
Por lo 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 de onda completa trifásicos, tienen relaciones de conversión mucho mayores porque la ondulación es intrínsecamente menor.
Para un rectificador de media onda trifásico,
Para un rectificador de onda completa trifásico,
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 potencia de CA de la bobina de salida de un transformador. [9] [10]
La clasificación del transformador se puede definir como:
Véase también: Diodo § Tensión umbral directa para varios semiconductores
Un rectificador real típicamente reduce parte del voltaje de entrada (una caída de voltaje , para dispositivos de silicio, de típicamente 0,7 voltios más una resistencia equivalente, en general no lineal) y, a frecuencias altas, 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 pico de entrada hasta el voltaje pico de salida, causada por la caída de voltaje incorporada a través de los diodos (alrededor de 0,7 V para diodos de unión p-n de silicio ordinarios y 0,3 V para diodos Schottky ). La rectificación de media onda y la rectificación de onda completa que utilizan un secundario con toma central producen una pérdida de voltaje pico de una caída de diodo. La rectificación de 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 hace 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 de pico es muy importante para los 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 voltaje de la frecuencia de la fuente en el lado de CC, debido al comportamiento de conmutación.
Si bien la rectificación de media onda y de onda completa entregan corriente unidireccional, ninguna produce un voltaje constante. Hay un gran componente de voltaje de ondulación de CA en la frecuencia de la fuente para un rectificador de media onda, y el doble de la frecuencia de la fuente para un rectificador de onda completa. El voltaje de ondulación generalmente se especifica pico a pico. Producir CC constante a partir de una fuente de CA rectificada requiere un circuito o filtro de suavizado . En su forma más simple, esto puede ser simplemente un capacitor (que funciona como un capacitor de suavizado y un depósito, [11] [12] buffer o capacitor de volumen), estrangulador, resistencia, diodo Zener y resistencia, o regulador de voltaje colocado en la salida del rectificador. En la práctica, la mayoría de los filtros de suavizado utilizan múltiples componentes para reducir de manera eficiente el voltaje de ondulación a un nivel tolerable por el circuito.
El condensador de filtro libera su energía almacenada durante la parte del ciclo de CA cuando la fuente de CA no suministra ninguna energía, es decir, cuando la fuente de CA cambia su dirección de 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 una impedancia cercana a cero , como una fuente de alimentación de red. Ambos voltajes comienzan desde cero en el momento t = 0 en el extremo izquierdo de la imagen, luego el voltaje del capacitor sigue el 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 capacitor se carga al valor pico Vp del voltaje del rectificador. Luego 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 capacitor C está determinado por la cantidad de ondulación r que se puede tolerar, donde r=(Vp-Vmin)/Vp. [13]
Estos circuitos se alimentan con mucha frecuencia a partir de transformadores , que pueden tener una impedancia interna significativa en forma de resistencia y/o reactancia . La impedancia interna del transformador modifica la forma de onda del condensador de reserva, cambia el voltaje pico y genera problemas de regulación.
Para una carga dada, el tamaño de un condensador de suavizado es un equilibrio entre la reducción de la tensión de rizado y el aumento de la corriente de rizado. La corriente pico se establece por la tasa de aumento de la tensión de alimentación en el borde ascendente de la onda sinusoidal entrante, reducida por la resistencia de los devanados del transformador. Las corrientes de rizado altas aumentan las pérdidas I 2 R (en forma de calor) en los devanados del condensador, rectificador y transformador, y pueden superar la capacidad de corriente de los componentes o la clasificación VA del transformador. Los rectificadores de tubo de vacío especifican la capacidad máxima del condensador 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 de rizado puede sobrecalentarlos. Para limitar la tensión de rizado a un valor especificado, el tamaño del condensador necesario es proporcional a la corriente de carga e inversamente proporcional a la frecuencia de alimentación 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 es el doble de la frecuencia de la salida rectificada de media onda. Para reducir la ondulación a un límite satisfactorio con un solo condensador, a menudo se necesita un condensador de tamaño poco práctico. Esto se debe a que la corriente nominal de ondulación de un condensador no aumenta linealmente con el tamaño y también puede haber limitaciones de altura. Para aplicaciones de alta corriente, se utilizan bancos de condensadores.
También es posible introducir la forma de onda rectificada en un filtro de entrada de estrangulamiento. La ventaja de este circuito es que la forma de onda de la corriente es más suave: la corriente se consume a lo largo de todo el ciclo, en lugar de hacerlo en pulsos en los picos de voltaje de CA de cada semiciclo, como en un filtro de entrada de condensador. La desventaja es que la salida de voltaje es mucho menor (el promedio de un semiciclo de CA en lugar del pico); esto es aproximadamente el 90 % del voltaje RMS en comparación con el voltaje RMS (sin carga) de un filtro de entrada de condensador. Esto se compensa con una regulación de voltaje superior y una corriente disponible más alta, lo que reduce las demandas de voltaje pico y corriente de ondulación en los componentes de la fuente de alimentación. Los inductores requieren núcleos de hierro u otros materiales magnéticos, y agregan 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 la tensión de ondulación es insignificante, como en los cargadores de baterías, el filtro de entrada puede ser una única resistencia en serie para ajustar la tensión de salida a la requerida por el circuito. Una resistencia reduce tanto la tensión de salida como la tensión de ondulación de manera proporcional. Una desventaja de un filtro de entrada con resistencia es que consume energía en forma de calor residual que no está disponible para la carga, por lo que se emplea solo en circuitos de baja corriente.
Para reducir aún más la ondulación, el elemento de filtro inicial puede ir seguido de componentes de filtro en serie y en derivación adicionales, o de un regulador de tensión. Los componentes de filtro en serie pueden ser resistencias o estranguladores; los elementos en derivación pueden ser resistencias o condensadores. El filtro puede aumentar la tensión de CC y reducir la ondulación. Los filtros suelen construirse a partir de pares de componentes en serie/en derivación denominados secciones RC (resistencia en serie, condensador en derivación) o LC (estrangulador en serie, condensador en derivación). Dos geometrías de filtro habituales 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 baratas) cuando es deseable o permisible una salida de CC más baja. Otro tipo de geometría de filtro especial es un estrangulador resonante en serie o un filtro de estrangulador sintonizado. A diferencia de otras geometrías de filtro que son filtros de paso bajo, un filtro de estrangulamiento resonante es un filtro de banda supresora: es una combinación paralela de estrangulamiento y capacitor que resuena a la frecuencia de la tensión de rizado, presentando una impedancia muy alta al rizado. Puede ir seguido de un capacitor en derivación para completar el filtro.
Una alternativa más habitual a los componentes de filtro adicionales, si la carga de CC requiere una tensión de rizado muy baja, es añadir un regulador de tensión después del filtro de entrada. Un regulador de tensión funciona según un principio diferente al de un filtro, que es esencialmente un divisor de tensión que desvía la tensión a la frecuencia de rizado de la carga. En cambio, un regulador aumenta o disminuye la corriente suministrada a la carga para mantener una tensión de salida constante.
Un regulador de tensión pasivo simple puede constar de una resistencia en serie para reducir la tensión de la fuente al nivel requerido y una derivación de diodo Zener con tensión inversa igual a la tensión establecida. Cuando la tensión de entrada aumenta, el diodo descarga la corriente para mantener la tensión de salida establecida. Este tipo de regulador se suele emplear solo en circuitos de baja tensión y baja corriente porque los diodos Zener tienen limitaciones tanto de tensión 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 tensión en derivación es un circuito regulador de tensión activo . Un regulador activo emplea componentes reactivos para almacenar y descargar energía, de modo que la mayor parte o la totalidad de la corriente suministrada por el rectificador pase a la carga. También puede utilizar retroalimentación negativa y positiva junto con al menos un componente amplificador de tensión, como un transistor, para mantener la tensión de salida cuando la tensión de la fuente cae. El filtro de entrada debe evitar que los mínimos de la ondulación caigan por debajo de la tensión mínima requerida por el regulador para producir la tensión de salida requerida. El regulador sirve tanto para reducir significativamente la ondulación como para hacer frente a las variaciones en las características de suministro y carga.
La principal aplicación de los rectificadores es derivar energía de 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 de CA/CC se pueden dividir en general en fuentes de alimentación lineales y fuentes de alimentación de modo conmutado . En dichas fuentes de alimentación, el rectificador estará en serie después del transformador y será seguido por un filtro de suavizado y posiblemente un regulador de voltaje.
La conversión de corriente continua de un voltaje a otro es mucho más complicada. Un método de conversión de CC a CC convierte primero la energía en corriente alterna (usando un dispositivo llamado inversor ), luego utiliza un transformador para cambiar el voltaje y finalmente rectifica la energía nuevamente a corriente continua. Se utiliza una frecuencia de varias decenas de kilohercios, ya que esto 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 de CC utiliza una bomba de carga , utilizando conmutación rápida para cambiar las conexiones de los capacitores; esta técnica generalmente se limita a suministros de hasta un par de vatios, debido al tamaño de los capacitores requeridos.
Los rectificadores también se utilizan para detectar señales de radio moduladas en amplitud . La señal puede amplificarse antes de la detección. Si no es así, se debe utilizar un diodo con una caída de tensión muy baja o un diodo polarizado con una tensión fija. Cuando se utiliza un rectificador para la demodulación, el condensador y la resistencia de carga deben coincidir cuidadosamente: una capacitancia demasiado baja hace que la portadora de alta frecuencia pase a la salida, y una demasiado alta hace que el condensador simplemente se cargue y permanezca cargado.
Los rectificadores suministran voltaje polarizado para soldadura . En estos circuitos se requiere controlar la corriente de salida; esto a veces se logra reemplazando algunos de los diodos en un rectificador de puente con tiristores , que son diodos cuya salida de voltaje se puede regular encendiendo y apagando controladores activados por fase .
Los tiristores se utilizan en diversas clases de sistemas de material rodante ferroviario para lograr un control preciso de los motores de tracción. Los tiristores de desconexión por compuerta se utilizan para producir corriente alterna a partir de una fuente de CC, por ejemplo, en los trenes Eurostar para alimentar los motores de tracción trifásicos . [15]
Antes de 1905, cuando se desarrollaron los rectificadores de tubo, los dispositivos de conversión de energía tenían un diseño puramente electromecánico. Los rectificadores mecánicos utilizaban algún tipo 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 un alto nivel de mantenimiento, que incluía lubricación y reemplazo de piezas móviles debido al desgaste. La apertura de contactos mecánicos bajo carga generaba arcos eléctricos y chispas que calentaban y erosionaban los contactos. Tampoco podían manejar frecuencias de CA superiores a varios miles de ciclos por segundo.
Para convertir la corriente alterna en corriente continua en las locomotoras eléctricas , se puede utilizar un rectificador síncrono. [ cita requerida ] Consiste en un motor síncrono que acciona un conjunto de contactos eléctricos de alta resistencia. El motor gira al ritmo de la frecuencia de CA e invierte periódicamente las conexiones a la carga en un instante en el que la corriente sinusoidal pasa por un cruce por cero. Los contactos no tienen que conmutar una corriente grande, pero deben poder transportar una corriente grande para alimentar los motores de tracción de CC de la locomotora .
Estos consistían en una lengüeta 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 usaban en dispositivos de baja potencia, como cargadores de batería , para rectificar el bajo voltaje producido por un transformador reductor. Otro uso era en fuentes de alimentación de batería para radios portátiles de tubo de vacío, para proporcionar el alto voltaje de CC para los tubos. Estos operaban como una versión mecánica de los inversores de conmutación de estado sólido modernos , con un transformador para aumentar el voltaje de la batería y un conjunto de contactos vibradores en el núcleo del transformador, operados por su campo magnético , para interrumpir repetidamente la corriente de CC de la batería para 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 grupo electrógeno-motor , o el convertidor rotatorio similar , no es estrictamente un rectificador, ya que en realidad no rectifica la corriente, sino que genera CC a partir de una fuente de CA. En un "grupo 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 sus devanados de armadura , que un conmutador en el eje de la armadura convierte en una salida de corriente continua; o un generador homopolar produce una corriente continua sin la necesidad de un conmutador. Los grupos 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 de lámparas de arco de carbono para teatros al aire libre) antes de que los semiconductores de alta potencia estuvieran ampliamente disponibles.
El rectificador electrolítico [16] fue un dispositivo de principios del siglo XX que ya no se utiliza. Una versión casera se ilustra en el libro de 1913 The Boy Mechanic [17] pero sería adecuado para su uso solo a voltajes muy bajos debido al bajo voltaje de ruptura y al riesgo de descarga eléctrica . Un dispositivo más complejo de este tipo fue patentado por GW Carpenter en 1928 (patente estadounidense 1671970). [18]
Cuando se suspenden dos metales diferentes en una solución electrolítica, la corriente continua que fluye en un sentido a través de la solución encuentra menos resistencia que en el otro sentido. Los rectificadores electrolíticos utilizan con mayor frecuencia 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, que se forma al aplicar primero una corriente fuerte a la celda para formar la capa. El proceso de rectificación es sensible a la temperatura y, para lograr la máxima eficiencia, no debe funcionar a temperaturas superiores a los 30 °C (86 °F). También existe una tensión de ruptura cuando se penetra la capa y se produce un cortocircuito en la celda. 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 utilizaron electrodos de aluminio y, al utilizarse en corriente alterna, no había polarización y, por lo tanto, no había acción rectificadora, pero la química era 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 dio lugar a la invención de varios rectificadores de tipo tubo, que reemplazaron en gran medida a los rectificadores mecánicos ruidosos e ineficientes.
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 válvula de arco de mercurio . El dispositivo está encerrado en un recipiente de vidrio bulboso o una tina de metal grande. Un electrodo, el cátodo , está sumergido en un charco de mercurio líquido en el fondo del recipiente y uno o más electrodos de grafito de alta pureza, llamados ánodos , están suspendidos sobre el charco. Puede haber varios electrodos auxiliares para ayudar a iniciar y mantener el arco. Cuando se establece un arco eléctrico entre el charco del cátodo y los ánodos suspendidos, una corriente de electrones fluye desde el cátodo a los ánodos a través del mercurio ionizado, pero no en sentido contrario (en principio, esta es una contraparte de mayor potencia de la rectificación de llama , que utiliza las mismas propiedades de transmisión de corriente unidireccional del plasma presente naturalmente en una llama).
Estos dispositivos pueden utilizarse a niveles de potencia de cientos de kilovatios y pueden construirse para manejar de una a seis fases de corriente alterna. Los rectificadores de arco de mercurio han sido reemplazados por rectificadores de 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 de HVDC Bipole Nelson River de Manitoba Hydro , con una potencia combinada de más de 1 GW y 450 kV. [20] [21]
El rectificador General Electric Tungar era un dispositivo de tubo electrónico lleno de gas de vapor de mercurio (p. ej.: 5B24) o argón (p. ej.: 328) con un cátodo de filamento de tungsteno y un ánodo de botón de carbono. Funcionaba de manera similar al diodo de tubo de vacío termoiónico, pero el gas en el tubo se ionizaba durante la conducción directa, lo que le daba una caída de tensión directa 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 los rectificadores de metal de menor costo y, más tarde, los diodos semiconductores lo reemplazaron. Estos se fabricaban con una capacidad nominal de 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 que se usaba comúnmente en las radios de automóviles con válvulas 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 la tensión de ruptura inversa era mucho mayor que la tensión de ruptura directa. Una vez que se superaba la tensión de ruptura, el 0Z4 cambiaba a un estado de baja resistencia con una caída de tensión directa de aproximadamente 24 V.
El diodo de tubo de vacío termoiónico , originalmente llamado válvula 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 ampolla de vidrio evacuado 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 causaba 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 le permitiría rectificar una corriente alterna.
Los rectificadores de diodos termoiónicos se utilizaron ampliamente en fuentes de alimentación de 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 necesitaban otros tubos de vacío. Las versiones de "onda completa" con dos placas separadas eran populares porque se podían utilizar con un transformador con toma central para formar un rectificador de onda completa. Los rectificadores de tubos de vacío se fabricaron para voltajes muy altos, como la fuente de alimentación de alto voltaje para el tubo de rayos catódicos de los receptores de televisión y el kenotrón utilizado para la fuente de alimentación en equipos de rayos X. Sin embargo, en comparación con los diodos semiconductores modernos, los rectificadores de tubos 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 potencia de las placas, y no se pueden utilizar para aplicaciones de bajo voltaje, como los 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 aislarla de los altos voltajes del circuito rectificador.
El detector de cristal , el primer tipo de diodo semiconductor , se utilizó como detector en algunos de los primeros receptores de radio , llamados radios de cristal , para rectificar la onda portadora de radio y extraer la modulación que producía el sonido en los auriculares. Inventado por Jagadish Chandra Bose y GW Pickard alrededor de 1902, fue una mejora significativa con respecto a los detectores anteriores, como el coherer . 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 hicieron inadecuado para aplicaciones de suministro de energía. Se usó ampliamente en radios hasta la década de 1920, cuando los tubos de vacío lo reemplazaron. En la década de 1930, los investigadores miniaturizaron y mejoraron el detector de cristal para su uso en frecuencias de microondas, desarrollando los primeros diodos semiconductores.
Estas unidades, que en el pasado eran 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 de metal 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 expectativa de vida finita, una resistencia que aumentaba con el tiempo y solo eran adecuados para usar a 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.
Por lo general, estos rectificadores estaban formados por pilas de placas o arandelas de metal unidas por un perno central, y la cantidad de pilas estaba determinada por el voltaje; cada celda tenía una capacidad nominal de aproximadamente 20 V. Un rectificador de cargador de batería de automóvil podía tener solo una celda: la fuente de alimentación de alto voltaje para un tubo de vacío podía tener docenas de placas apiladas. La densidad de corriente en una pila de selenio refrigerada 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 menor (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, entre 1975 y 2000, la mayoría de los rectificadores de arco con válvulas de mercurio fueron reemplazados por pilas de tiristores de muy alta potencia , dispositivos de silicio con dos capas adicionales de semiconductores, en comparación con un simple diodo.
En aplicaciones de transmisión de potencia media, sistemas rectificadores de semiconductores de silicio con convertidores de fuente de voltaje (VSC) aún más complejos y sofisticados, como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y los tiristores de apagado por compuerta (GTO) , han hecho que los sistemas de transmisión de energía de CC de alto voltaje más pequeños sean económicos. Todos estos dispositivos funcionan como rectificadores.
A partir de 2009 [update]se esperaba que estos "interruptores autoconmutadores" de silicio de alta potencia, en particular los IGBT y un tiristor variante (relacionado con el GTO) llamado tiristor conmutado por compuerta integrada (IGCT), se ampliarían en potencia nominal hasta el punto de que eventualmente reemplazarían los sistemas de rectificación de CA simples basados en tiristores para las aplicaciones de CC de transmisión de potencia más alta. [23]
La rectificación activa es una técnica para mejorar la eficiencia de la rectificación al reemplazar 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 vibrador 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 provocar sobrecalentamiento con sombreado parcial y al mismo tiempo ofrecer una pérdida de potencia mínima.
Un área importante de investigación es el desarrollo de rectificadores de frecuencia más alta, que puedan rectificar en terahercios y frecuencias de luz. Estos dispositivos se utilizan en la detección heterodina óptica , que tiene innumerables aplicaciones en la comunicación por fibra óptica y los relojes atómicos . Otra aplicación potencial para tales dispositivos es rectificar directamente las ondas de luz captadas por antenas diminutas , llamadas nantennas , para producir energía eléctrica de CC. [26] Se cree que los conjuntos de antenas podrían ser un medio más eficiente de producir energía solar que las células solares .
Un área de investigación relacionada es el desarrollo de rectificadores más pequeños, ya que un dispositivo más pequeño tiene una frecuencia de corte más alta. Los proyectos de investigación están intentando desarrollar un rectificador unimolecular , una única molécula orgánica que funcionaría como rectificador.
que los próximos 25 años estarán dominados por convertidores conmutados forzadamente [4]. Inicialmente, esta nueva era de conmutación forzada ha comenzado con convertidores conmutados por capacitores (CCC) que eventualmente serán reemplazados por convertidores autoconmutados debido a la disponibilidad económica de dispositivos de conmutación de alta potencia con sus características superiores.
Conmutador rectificador síncrono.
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