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Rectificadores Monofásicos y Polifásicos Controlados y no Controlados José Manuel Guerrero Mata 5°G I.
INTRODUCTION
En electrónica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua.1 Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio (actualmente en desuso). Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando sólo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados. El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media onda, constituido por un único diodo entre la fuente de alimentación alterna y la carga.
II. RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE MEDIA ONDA.
Fig. 2 Rectificación de media onda
Lo indicado más arriba queda mucho más claro con el esquema de la Fig.3. Cuando el generador alterno comience a producir la onda senoidal, el diodo sólo permitirá que pase corriente a la carga R mientras éste sea polarizado directamente, es decir, cuando al ánodo del diodo se le aplique una polaridad positiva. Durante el semiperiodo negativo el diodo no conducirá, por lo que la carga no será alimentada, y en ese caso habremos conseguido una corriente pulsante tal y como se indicó en la Fig. 2.
Si recordamos el funcionamiento de un generador, sabremos que en cada ciclo de funcionamiento se habrá producido una semionda positiva y otra negativa; es decir, la corriente va tomando valores positivos y negativos a intervalos regulares, tal como indica la figura 1. Si quisiéramos que a una carga se le aplicara solamente la parte positiva de la corriente, tal y como muestra la figura 2, nos bastaría con colocar un diodo en serie con nuestra fuente alterna.
Fig.3. Circuito de Rectificación de media onda.
Recuerda que las ondas senoidales se representan por la función seno: Fig. 1. Onda senoidal de un generador de corriente alterna común
Y que teníamos los valores medio (Xm) y eficaz (X) en función del valor máximo am
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Antes de continuar hablando de los rectificadores, puede ser interesante analizar con detalle el funcionamiento de un diodo. Partimos de la premisa de que un diodo es, teóricamente, un elemento lineal y que su resistencia en polarización inversa es infinita. Esto, en rigor, no es exacto, pues cerca del origen de coordenadas en un diagrama V-I el diodo no muestra esa linealidad de la que antes hablábamos y en polarización inversa hay una pequeña corriente, casi despreciable, que atraviesa el diodo. Puesto que, para que un diodo conduzca en polarización directa, se necesitan en torno a 0,7 V, esa tensión deberá ser restada a la carga y además el tiempo de alimentación de la carga será inferior al de un semiperiodo, pues debe alcanzarse la tensión de base de 0,7 V. Así mismo, tal y como refleja la gráfica real, existe una corriente inversa que permanece constante durante el semiperiodo negativo, independientemente de la resistencia de la carga. Todas estas consideraciones, a pesar de ser interesantes, pueden despreciarse, pues la resistencia del diodo suele ser muy pequeña frente a la de la carga y la tensión de base igualmente suele ser insignificante frente a la tensión de pico de la onda senoidal. En el tema de Ondas senoidales hablamos de los valores medios y eficaces de una onda, que aplicados al presente caso nos dará:
Como observarás, dividimos por dos el valor medio porque sólo estamos rectificando media onda. De igual manera podemos escribir los valores medios para la tensión:
Del mismo modo, podemos calcular los valores eficaces, recordando las expresiones:
Que al sustituirlas en los valores rectificados nos quedará:
III. RECTIFICADOR MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA. Como habrás observado, con el rectificador anterior (media onda) la tensión de alimentación valdrá 0 V durante la mitad del tiempo, es decir, siempre que se presente el semiperiodo negativo. Para solucionar este problema podemos disponer de un puente de diodos, en el que se rectifique por un lado el semiperiodo positivo y por otro el semiperiodo negativo, de
forma que la carga siempre esté alimentada. La imagen inferior te muestra el circuito rectificador:
Fig. 4. Circuito rectificador de onda completa.
Habrás observado que la carga siempre recibe positivo por el mismo sitio, independientemente de que sea el semiperiodo positivo o negativo el que se produce en la secuencia de funcionamiento. Esto significa que la tensión aplicada sobre la resistencia será como la indicada en la imagen:
Fig. 5. Gráfica de rectificador de onda completa.
De forma similar a lo que ocurría con el rectificador de media onda, los valores de tensión y de intensidad que obtendremos serán:
Y en función de los valores eficaces:
En este caso ya no dividimos los valores de Im y Vm por dos, ya que rectificamos la onda completa. IV. RECTIFICADORES POLIFÁSICOS DE MEDIA ONDA. Por lo general, los sistemas de producción de corriente eléctrica, suelen ser trifásicos. En ese caso, se cuenta con la ventaja de que en un periodo se producirán tres ondas, una por cada arrollamiento, desfasadas 120º. Esto supone una mejora en cuanto a la tensión de alimentación de la carga, ya que se consigue una señal más uniforme. Del mismo modo que con los rectificadores anteriores, podemos tener rectificadores de media onda y de onda completa. Consisten en conectar un diodo a la salida de cada arrollamiento, que se unirán en un punto común que después alimentará a la resistencia o carga del circuito. El retorno de la corriente se realiza a través de la línea de neutro. La imagen inferior nos aclara esta explicación.
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Es evidente que el arrollamiento secundario está dispuesto en estrella y que de la unión común de las tres bobinas se saca la línea de neutro. Además, tal y como indica la imagen, cada bobina tendrá, con respecto a neutro, las tensiones V1, V2 y V3 respectivamente, que se producirán desfasadas 120º.
Podemos observar como ahora, nuestro transformador, tiene a la salida de cada bobina dos diodos, de manera que se rectificará la onda completa. Para aclarar más aún el funcionamiento, vamos a representar las bobinas R, S y T desfasadas en el espacio 120º, pues constructivamente es como se encuentran. Imaginemos que la producción de corriente comienza en la bobina R-S (onda roja), siendo el semiperiodo positivo el que se produce a la salida de R. La corriente por tanto circulará hasta D1 que, por ser positiva, lo atravesará hasta la carga R y retornará por D5 hasta la bobina S. 180º después, se producirá el semiperiodo negativo, por lo que al haber cambiado el sentido de la corriente, el positivo estará a la salida de la bobina S, atravesará el diodo D2 en dirección a la carga, retornando por D4 hasta la bobina R.
Las tensiones V1, V2 y V3 están representadas en la gráfica, por las ondas roja, verde y azul. Pero en realidad, al haber colocado un diodo a cada salida, el semiciclo negativo de cada onda quedará suprimido, es decir, que la tensión que le llegue a la carga será la línea ondulada de color gris.
Esta secuencia la repetimos para las bobinas S-T (onda verde), actuando D2 y D6 para el semiperiodo positivo y D3 y D5 para el semiperiodo negativo; y para las bobinas T-R (onda azul), en cuyo caso la secuencia será D3 y D4 para la semionda positiva y D1 y D6 para la semionda negativa.
Analizando la imagen podemos observar que cada bobina alimentará la carga durante 1/3 del periodo y cada diodo estará conduciendo durante tanto tiempo como la corriente de su bobina sea superior que la de las demás. La línea de trazos de la imagen representa la duración de un ciclo, tal y como puede observarse. Como la corriente de alimentación de la carga la aportan tres bobinas en cada ciclo, esta será más continua.
Ya sólo queda hacer un matiz, y es que el desfase entre el semiperiodo positivo y negativo es de 180º, mientras que el desfase entre arrollamientos es de 120º, por lo que antes de que el semiciclo de una de las bobinas haya finalizado, se estará produciendo la siguiente onda en otro arrollamiento. Esto queda de manifiesto si en la representación senoidal de un transformador trifásico, se solapan los semiciclos positivos y negativos.
V. RECTIFICADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA. Si ahora disponemos de un puente hexadiodo, de manera que podamos rectificar el semiperiodo negativo, que antes quedaba anulado, la tensión producida será aún más continua que en los casos anteriores.
Rectificador Trifásico de Onda Completa.
4 VI. RECTIFICADORES CONTROLADOS MONOFÁSICOS Y POLIFÁSICOS. Los rectificadores controlados emplean el tiristor o SCR como dispositivo de control. El tiristor es un semiconductor que presenta dos estados estables: en uno conduce, y en otro está en corte (bloqueo directo, bloqueo inverso y conducción directa). El objetivo del tiristor es retardar la entrada en conducción del mismo, ya que como se sabe, un tiristor se hace conductor no sólo cuando la tensión en sus bornes se hace positiva (tensión de ánodo mayor que tensión de cátodo), sino cuando siendo esta tensión positiva, se envía un impulso de cebado a puerta. El parámetro principal de los rectificadores controlados es el ángulo de retardo. En los circuitos rectificadores se pueden sustituir, total o parcialmente, a los diodos por tiristores, de forma que se pueda obtener un sistema de rectificación controlada o semicontrolada. Como se muestra en la fig. 1, representa la rectificación de onda controlada, para la colocación de diferentes tipos de cargas, estos diagramas están simulados en Matlab. Estos sistemas permitirán la regulación del valor medio de la tensión en la carga. Como se muestra en la fig. 2, representa los diferentes tipos de cargas, a usar en el rectificador de media onda controlada, estos diagramas están simulados en Matlab. La sustitución del diodo por el tiristor permite retardar la entrada en conducción del mismo, lo cual ocurre no sólo cuando la tensión entre sus bornes es positiva, sino cuando, siendo positiva se inyecta un pulso de cebado a la puerta del tiristor.
En estos rectificadores con tiristores será el ángulo de retardo α, que un tiristor conduce con un retardo de tiempo α/w con relación al instante en el cual conduciría el diodo al que ha sustituido. Tensión media en la carga: Es la tensión en el secundario:
Y el valor normalizado valdrá:
Tensión eficaz en la carga:
Y el valor normalizado valdrá:
Tensión inversa de pico soportada por el tiristor: Esta tensión será la máxima de entrada para a £ p, por lo tanto: Corriente media en la carga:
Corriente eficaz en la carga:
Para distinguir las magnitudes cuando se pasa de los montajes con diodos a tiristores utilizaremos la prima (') para referirnos a los montajes con tiristores. El principio de funcionamiento consiste en disparar los tiristores con un cierto ángulo respecto del punto de conmutación natural o paso por cero de la señal de entrada. Con ello se consigue aplicar la tensión de la fuente sobre la carga un tiempo variable, que depende del momento del disparo y por tanto se conseguirá variar los valores medios y eficaces de la tensión en la carga. Dependiendo del tipo de carga, se deberá analizar el tipo de impulso de cebado del tiristor. Para las cargas con componente inductiva, la corriente en la carga, y por tanto en el tiristor, no variará bruscamente, con lo que se tardará un cierto tiempo en alcanzar la corriente de enclavamiento del tiristor. Como se muestra en la simulación 1 “Matlab”, donde muestra el comportamiento del diodo que es atravesado por el voltaje y la corriente que es la forma de onda 1 y 2, y en las formas de ondas 3 y 4 muestra el voltaje y la corriente, de la carga.
5 VII. RECTIFICACIÓN TRIFÁSICA. Es el montaje más sencillo para los rectificadores de alimentados con la red trifásica. Como en cada fase hay un solo semiconductor, éste deberá de ser un tiristor. Como se muestra en la fig. 3, representa la rectificación trifásico de media onda controlada, para la colocación de diferentes tipos de cargas, estos diagramas están simulados en Matlab. Al ser la red trifásica las tensiones de entrada están desfasadas 2π/3, entonces cada tiristor conducía un tercio del periodo (2π/3). De esta forma se obtenían los siguientes intervalos de conducción:
Para ángulos superiores a 30°, la carga resistiva será atravesada en algunos momentos por corriente discontinua, al dispararse un tiristor cuando el anterior ya ha dejado de conducir. Si los tiristores son atacados por tres generadores de impulsos, aplicando estos a su correspondiente tiristor en intervalos en los que su tensión ánodo-cátodo sea positiva, a la frecuencia de red y con desfase progresivo de 120°, el ángulo máximo de disparo será de 150°, ya que por encima de éste la tensión en la carga será nula por aplicarse los impulsos a tiristores que estarán en inverso. Tensión media en la carga:
(6) Tensión eficaz en la carga:
(7)
Este tipo de rectificador proporciona una tensión media de salida alta si lo comparamos con los convertidores controlados monofásicos, además se obtiene a su salida una corriente y un voltaje bastante continúo por lo que es muy usado para trabajar con altas potencias. La frecuencia de la señal en la carga será el triple de la frecuencia de entrada. Como se muestra en la simulación 2 “Matlab”, donde muestra el comportamiento el voltaje de las fuentes, en la forma de onda 1, el voltaje y la corriente del diodo que se atravesado por el circuito es la forma de onda 2 y 3, y en las formas de ondas 4 y 5 muestra el voltaje y la corriente, de la carga. Para el caso de una carga resistiva pura tendremos en cuenta que: Si aplicásemos impulsos de disparo a la vez, a las puertas de los tiristores, se pondría a conducir siempre el que estuviera sometido a la máxima tensión. A la hora de determinar la disipación de potencia resulta interesante saber que cada tiristor puede conducir durante un tiempo T/3, por lo que debe poder regular 1/3 de potencia.
