Las fuentes de alimentación (tercera parte)

Rectificador de onda completa con transformador de toma intermedia.

El rectificador de media onda anterior es muy sencillo porque utiliza un mínimo de componentes. Sin embargo, no es muy diferente, porque solo permite que circule corriente a través de la carga durante los semiciclos positivos. Una alternativa es utilizar dos rectificadores de media onda independientes, figura 45. En este caso el rectificador  superior proporciona corriente a la carga durante los semiciclos positivos de la tensión de entrada y el inferior durante los semiciclos negativos. Por lo tanto, el circuito proporciona rectificación de onda completa. Desafortunadamente, necesita dos transformadores, lo cual lo hace poco práctico.

Fig. 45 Rectificador de onda completa con dos rectificadores de media onda

Un refinamiento del circuito anterior es el rectificador de onda completa mostrado en la figura 46a, el cual utiliza un transformador con una derivación intermedia en el devanado secundario. Esta última es la tierra o línea común de referencia de los voltajes de entrada y salida del rectificador, figura 46b. Debido a este modo de conexión, el circuito es equivalente a dos rectificadores de media onda, excepto que utiliza un solo transformador.

Fig 46. Rectificador de onda completa con transformador de toma intermedia. Dos versiones del mismo circuito

En la figura 47 se muestran las formas de onda de los voltajes producidos en el circuito. Todos ellos están referidos a tierra. Desde este punto de vista, las tensiones producidas en el secundario (V_2a y V_2b) son idénticas, pero están desfasadas en 180°. Durante los semiciclos positivos de la tensión de entrada, V_2a es positiva y V_2b es negativa. Por lo tanto, conduce el diodo D1.Durante los semiciclos negativos, V_2A es negativa y V_2b es positiva. Por tanto, conduje el diodo D2. De este modo la carga recibe corriente unidireccional durante ambos sentidos.

Fig. 47. Formas de onda del rectificador de onda completa con transformador derivado.

El voltaje de CC pulsante, obtenido a la salida del rectificador de onda completa anterior (V_L), tiene una frecuencia (f) igual al doble de la tensión de la red, es decir 100Hz ó 120Hz, y una amplitud igual al valor pico (V_p) de la tensión en el secundario. Si se conecta un voltímetro de CC entre los extremos de la carga, el mismo proporcionará una lectura (V_CC) igual al valor medio de la tensión de salida. Para una señal de onda completa, este valor está dado por:

Siendo V_p el valor pico de V_2a o V2b. En la práctica, el voltaje  real obtenido sobre la carga es ligeramente inferior a este valor debido a la caída de voltaje en cada diodo. 

Rectificador de onda completa tipo puente.

El rectificador de onda completa con transformador de toma intermedia elimina algunas de las desventajas inherentes de los rectificadores de media onda, pero solo aprovecha la mitad de la tensión disponible en el secundario. El rectificador de onda completa mostrado en la figura 48, el cual utiliza cuatro diodos en lugar de dos y no requiere de una derivación central en el transformador; supera esta dificultad, permitiendo obtener una tensión de salida en CC de la misma amplitud que la tensión de entrada de CA.

Fig. 48. Rectificador de onda completa con puente de diodos. Dos versiones del mismo esquema. También se muestra el aspecto típico de un puente de diodos encapsulado en un sólo modulo.

En la figura 49 se muestran las formas de onda que describen la operación del circuito. Su funcionamiento puede comprenderse mejor con la ayuda de los circuitos equivalentes de la figura 50. En este caso, los diodos D2 y D3 conducen durante los semiciclos positivos de la tensión de entrada, mientras que los diodos D1 y D4 lo hacen durante los semiciclos negativos. El resultado es una señal de salida de CC de onda completa sobre la resistencia de carga.

Fig. 49. Formas de onda del rectificador de onda complete tipo Puente.
a. Circuito de voltaje de entrada. b. Circuito voltaje de salida.

Figura 50. Circuitos equivalentes de un rectificador de onda completa con puente de diodos durante los semiciclos positivos(a) y negativos (b)

Como puede verse, la forma de onda de la tensión sobre la carga es idéntica a la obtenida con el rectificador de onda completa de toma intermedia. Por lo tanto, su frecuencia es el doble de la frecuencia de la red (100Hz o 120Hz) y su valor medio, es decir el medido con un voltímetro de CC, está dado por:

Siendo V_p el valor pico de la tensión de CA de salida del secundario. En la práctica, el valor obtenido es ligeramente menor, debido a las caídas que se presentan en los dos diodos que entran en conducción durante cada semiciclo. Por tanto, a la tensión obtenida mediante la fórmula anterior deben descontarse alrededor de 1.4V para obtener la tensión de salida real. El siguiente ejemplo aclarará estos conceptos. El experimento los fijará de manera práctica.

Ejemplo  Suponga que en el circuito de la figura 48b, la tensión de CA de entrada es de 220V/50Hz. Si el transformador T1 tiene una relación de espiras de 20 a 1 (20:1) y no se tienen en cuenta las caídas de voltaje en los diodos del puente rectificador, ¿cuál será el valor del voltaje de CC medido en la carga?

Solución. Inicialmente calculamos los valores rms y pico requeridos para el voltaje de salida del secundario (V2):

Por tanto, ignorando las caídas de voltaje en los diodos, el valor medio del voltaje de salida es:

Éste sería, idealmente, el valor medido en un voltímetro de CC. Asumiendo una caída total de 1,4V en los diodos del puente rectificador, el valor real medido sería del orden de 9,90V-1,4V = 8,5V.

Puentes rectificadores integrados.

La recodificación de onda completa, mediante un puente de diodos, es una de las técnicas de conversación de CA a CC más utilizadas en el diseño de fuentes de alimentación, debido principalmente a que no requiere un transformador con derivación central y proporciona un voltaje de salida con un valor máximo igual al valor pico de entrada. Aunque los puentes rectificadores pueden ser construidos con diodos discretos (individuales), una práctica muy común es el empleo de puentes rectificadores integrados, los cuales incorporan los cuatro diodos de un circuito puente, con sus respectivas conexiones, en una misma cápsula, figura 51.

Figura 51. Puentes rectificadores integrados

Los puentes rectificadores integrados se ofrecen en una gran variedad de presentaciones y, al igual que los diodos rectificadores, se especifican por su máxima corriente y tensión de trabajo. El puente rectificador W04Mn, por ejemplo, se especifica para una corriente de 1,5A y un voltaje de 400V. Esto significa que cada uno de sus diodos internos puede conducir hasta 1,5A de corriente promedio hacia la carga y soportar hasta 400V de voltaje pico en condiciones de polarización inversa.

Filtros para rectificadores

El voltaje de CC pulsante proporcionado por un rectificador, aunque mantiene una polaridad única, no es adecuado para alimentar circuitos electrónicos. Esto se debe a que su valor no se mantiene constante, sino que varía periódicamente entre cero y el valor máximo de la onda seno de entrada. Para suavizar este voltaje y convertirlo en un voltaje de CC uniforme, similar al de una batería, debe utilizarse un filtro. Este último es generalmente un condensador electrolítico de muy alta capacidad. 

Figura 52 Rectificador de media onda con filtro condensador

Figura 53 Formas de onda de un rectificador de media onda con filtro

En la figura 52 se muestra como ejemplo un rectificador de media onda con filtro de condensador. En la figura 53 se observa la forma de onda del voltaje de salida obtenido. El funcionamiento del circuito puede comprenderse fácilmente con ayuda de los circuitos equivalentes de la figura 54. Durante el primer cuarto de ciclo (t0-t1), el diodo D1 conduce, permitiendo que el condensador se cargue al valor pico (V_p) de la tensión rectificada. Durante el resto del ciclo (t1-t3), el diodo D1 queda polarizado inversamente y por tanto deja de conducir, permitiendo que el condensador se descargue lentamente a través de la carga, actuando como una fuente temporal de voltaje. 

Figura 54 Circuitos equivalentes del rectificado de media onda con filtro. La carga siempre está recibiendo corriente procedente del transformador. (a) o del condensador de filtro (b). El diodo D1 permanece bloqueado entre t1 y t3, ¿por qué?

A medida que el condensador se descarga, disminuye progresivamente el voltaje entre sus terminales. Cuando la tensión de entrada alcanza nuevamente el valor pico positivo, el diodo conduce brevemente y recarga el condensador. El proceso se repite indefinidamente. Como resultado, la tensión de la carga es una tensión de CC casi ideal, excepto por una pequeña variación periódica de amplitud ocasionada por la carga y la descarga del condensador. Esta variación se denomina rizado (ripple) y tiene la misma frecuencia del voltaje rectificado. Su amplitud pico a pico (V_rpp) está dada, en forma aproximada, por la siguiente fórmula:

Siendo I_L la corriente de la carga (A), f la frecuencia de la señal de rizado (Hz) y C la capacidad del condensador de filtro (F). La frecuencia de rizado (f) es igual a la frecuencia del voltaje CA de entrada para el caso de un rectificador de media onda y el doble de este valor para el caso de uno de onda completa. De este modo, si la frecuencia de entrada es de 50Hz, el rizado puede ser de 50Hz o de 100Hz, dependiendo del esquema de rectificación empleado. En general, entre más alta sea la frecuencia de rizado, más fácil es la operación de filtrado.

Observe, que si el circuito de la figura 49 no tiene conectada una carga, el valor de la corriente de carga (I_L) ES 0A y, por lo tanto, la amplitud del rizado (V_rpp) es 0V. Bajo estas condiciones, el voltaje de salida es constante e igual al valor pico de la tensión de entrada (VL = V2p). Note también que cuando el diodo no conduce, el voltaje entre sus terminales puede llegar a ser igual al doble del valor pico de entrada, ¿por qué? Este dato es muy importante para el diseño de este tipo de circuitos.

En la práctica, debe buscarse que la amplitud del rizado (V_rpp) sea lo más pequeña posible ya que este voltaje alterno puede manifestarse como un ruido en los amplificadores de audio, por ejemplo. Para ello, el valor del condensador  de filtro (C) debe ser escogido de tal modo que el producto R_LxC, llamado la constante de tiempo del circuito, sea mucho mayor que el período de la señal de entrada (T = 1/f), por lo menos diez veces. De este modo se garantiza que el condensador sólo pierda una pequeña parte de su carga almacenada durante el tiempo en que el diodo D₁ permanece cortado. El siguiente ejemplo aclarará estos conceptos.

Ejemplo. En un rectificador de media onda, con filtro como el de la figura 49, el voltaje de CA de entrada (V₂) tiene un valor pico de 10V y una frecuencia de 50Hz. Si el circuito alimenta una carga de 20Ω, ¿cuál debe ser el valor mínimo del condensador  de filtro C para que la tensión de rizado esté por debajo de 0,5V_pp? Asuma que la caída de voltaje sobre el diodo, en condiciones de polarización directa, es cero.

Solución. Inicialmente, calculamos la corriente de la carga (I_L). Puesto que R_L=20Ω y V_L~10V aproximadamente igual al valor pico de la tensión de CA de entrada), entonces:

Conociendo la corriente de carga (I_L = 0,5A), el valor pico del voltaje de rizado (V_rpp = 0,5V) y la frecuencia de este último (f), podemos entonces calcular el valor mínimo del condensador de filtro (C) así:

Por lo tanto se requiere como mínimo  un condensador de filtro de 20000 μF. Este último puede ser obtenido, por ejemplo, conectando en paralelo 2 condensadores electrolíticos de 10000 μF, 6 de 3300 μF, 10 de 2200 μF, etc.

Puesto que el valor máximo de la tensión de salida es de 10V, el voltaje nominal de este condensador puede ser de 16V o más. Observe que el producto R_L x C (400 ms) es mucho mayor que el periodo del voltaje de entrada (20 ms).

Referencia

• CEKIT, Curso Fácil de Electrónica Básica, Tomo 1, Lección 7.