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ISSN: 1692-7257 - Volumen X – Número XX - 20XX Revista Colombiana de Tecnologías de Avanzada

Recibido: 17 de septiembre de 2021 Aceptado: CIRCUITOS RECTIFICADORES Juan David Carreño Suarez Código: 1090448171 Juan Felipe Flórez Barbosa Código: 1004841713 Maria Ichell Mancilla Gómez Código: 1004999222 Jaider Leonardo Salcedo Monsalve Código: 1005037231 Universidad de Pamplona, Facultad de Ingenierías y Arquitectura, Ingeniería mecatrónica. Autopista Internacional Vía Los Álamos Villa Antigua, Villa del Rosario, Norte de Santander, Colombia. E-mail: [email protected] Resumen: En este trabajo se llega a la aplicación más popular del diodo: la rectificación. Definida simplemente, la rectificación es la conversión de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC). Esto implica un dispositivo que solo permite el flujo indirecto de carga eléctrica. Como hemos visto, esto es exactamente lo que hace un diodo semiconductor. El tipo más simple de circuito rectificador es el rectificador de media onda. Solo permite que la mitad de una forma de onda de CA pase a través de la carga.

Palabras clave: rectificación, onda, circuito.

Summary: In this work we come to the most popular application of the diode: rectification. Simply defined, rectification is the conversion of alternating current (ac) to direct current (dc). This involves a device that only allows the indirect flow of electrical charge. As we've seen, this is exactly what a semiconductor diode does. The simplest type of rectifier circuit is the medium wave rectifier. It only allows half of an ac waveform to pass through the charge. Keywords: rectification, wave, circuit.

Universidad de Pamplona I. I. D. T. A.

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1. INTRODUCCIÓN

negativa hasta entonces, tendrá su dirección restringida solo a la dirección positiva, cuando se convierta en DC. Por lo tanto, se permite que la corriente fluya solo en dirección positiva y resista en dirección negativa, tal como en la figura a continuación.

Los circuitos rectificadores de diodos son uno de los circuitos clave utilizados en equipos electrónicos. Se pueden utilizar en fuentes de alimentación de modo de conmutación y fuentes de alimentación lineales, demodulación de señal de RF, detección de potencia de RF y mucho más. Hay varios tipos diferentes de circuito rectificador de diodo, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Las decisiones sobre qué tipo de circuito de diodo usar dependen de la situación dada.

Figura 2. Corriente en flujo.

2. MARCO TEÓRICO Siempre que surge la necesidad de convertir una alimentación de CA a CC, un circuito rectificador viene para el rescate. Un diodo de unión PN simple actúa como rectificador. Las condiciones de sesgo hacia adelante y polarización inversa del diodo hacen la rectificación.

El circuito que hace la rectificación se llama circuito rectificador. Un diodo se utiliza como rectificador, para construir un circuito rectificador.

Rectificación Una corriente alterna tiene la propiedad de cambiar su estado continuamente. Esto se entiende observando la onda sinusoidal por la que se indica una corriente alterna. Aumenta en su dirección positiva va a un valor positivo máximo, se reduce de allí a normal y nuevamente va a la porción negativa y alcanza el pico negativo y nuevamente vuelve a la normalidad y continúa.

Tipos de circuitos rectificadores Hay dos tipos principales de circuitos rectificadores, dependiendo de su salida. Son: - Rectificador de media onda - Rectificador de onda completa Un circuito rectificador de media onda rectifica solo los semiciclos positivos de la fuente de entrada, mientras que un circuito rectificador de onda completa rectifica tanto los semicivámenes positivos como los negativos de la fuente de entrada.

Figura 1. Rectificación.

Rectificador de media onda El propio nombre rectificador de media onda indica que la rectificación se realiza solo durante la mitad del ciclo. La señal de CA se da a través de un transformador de entrada que sube o baja según el uso. Principalmente un transformador reductor se utiliza en circuitos rectificadores, para reducir el voltaje de entrada. La señal de entrada dada al transformador se pasa a través de un diodo de unión PN que actúa como rectificador. Este diodo convierte el voltaje de CA en CC pulsante solo para los medios ciclos positivos de la entrada. Se conecta una resistencia de carga al final del circuito. La siguiente figura muestra el circuito de un rectificador de media onda.

Durante su recorrido en la formación de onda, podemos observar que la onda va en direcciones positivas y negativas. En realidad, se altera por completo y de ahí el nombre de corriente alterna. Pero durante el proceso de rectificación, esta corriente alterna se cambia a corriente continua DC. La onda que fluye tanto en dirección positiva como Universidad de Pamplona I. I. D. T. A.

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ISSN: 1692-7257 - Volumen X – Número XX - 20XX Revista Colombiana de Tecnologías de Avanzada Figura 3. Rectificador de media onda.

Medio ciclo positivo El funcionamiento de este circuito se entiende fácilmente medio ciclo a la vez. Considere el primer medio ciclo, cuando la polaridad del voltaje de la fuente es positiva (+) en la parte superior y negativa () en la parte inferior. En este momento, solo el diodo superior está conduciendo; el diodo inferior está bloqueando la corriente, y la carga "ve" la primera mitad de la onda sinusoidal, positiva en la parte superior y negativa en la parte inferior. Solo la mitad superior del devanado secundario del transformador transporta corriente durante este medio ciclo como en la figura a continuación.

Análisis del rectificador de media onda Para analizar un circuito rectificador de media onda, consideremos la ecuación del voltaje de entrada. 𝑉𝑖 = 𝑉𝑚 sin 𝑤𝑡

(01)

𝑉𝑚 es el valor máximo de la tensión de alimentación. Supongamos que el diodo es ideal. - La resistencia en la dirección hacia adelante, es decir, en el estado ON es Rf. - La resistencia en la dirección inversa, es decir, en el estado OFF es Rr.

Figura 5. Rectificador toque central de onda completa (ciclo positivo).

La corriente i en el diodo o en la resistencia de carga RL está dado por 𝑖 = 𝐼𝑚 sin 𝑤𝑡 𝑦0 = 0

𝑓𝑜𝑟 0 ≤ 𝑤𝑡 ≤ 2𝜋

𝑓𝑜𝑟 𝜋 ≤ 𝑤𝑡 ≤ 2𝜋

(02)

La mitad superior del devanado secundario conduce durante el medio ciclo positivo de entrada, entregando medio ciclo positivo a la carga.

(03)

Donde, 𝐼𝑚 =

𝑉𝑚 𝑅𝑓 + 𝑅𝐿

Medio ciclo negativo Durante el siguiente medio ciclo, la polaridad de CA se invierte. Ahora, el otro diodo y la otra mitad del devanado secundario del transformador transportan corriente, mientras que las partes del circuito que anteriormente transportaban corriente durante el último medio ciclo permanecen inactivas. La carga todavía "ve" la mitad de una onda sinusoidal, de la misma polaridad que antes: positiva en la parte superior y negativa en la parte inferior. (Figura a continuación).

(04)

Rectificadores de onda completa Si necesitamos rectificar la alimentación de CA para obtener el uso completo de ambos semicircuitos de la onda sinusoidal, se debe utilizar una configuración de circuito rectificador diferente. Tal circuito se llama rectificador de onda completa. Un tipo de rectificador de onda completa, llamado diseño de grifo central, utiliza un transformador con un devanado secundario de roscado central y dos diodos, como en la figura a continuación.

Figura 6. Rectificador toque central de onda completa (ciclo negativo).

Figura 4. Rectificador de onda completa, diseño de roscado en el centro.

Durante el medio ciclo de entrada negativa, la mitad inferior del devanado secundario conduce, entregando un medio ciclo positivo a la carga. Universidad de Pamplona I. I. D. T. A.

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Tenga en cuenta que, independientemente de la polaridad de la entrada, la corriente fluye en la misma dirección a través de la carga. Es decir, el medio ciclo negativo de la fuente es un medio ciclo positivo en la carga.

Desventajas del diseño del rectificador de onda completa Una desventaja de este diseño de rectificador de onda completa es la necesidad de un transformador con un devanado secundario de roscado central. Si el circuito en cuestión es de alta potencia, el tamaño y el gasto de un transformador adecuado es significativo. En consecuencia, el diseño del rectificador de toque central solo se ve en aplicaciones de baja potencia.

El flujo de corriente es a través de dos diodos en serie para ambas polaridades. Por lo tanto, se pierden dos gotas de diodo del voltaje de la fuente (0.7 · 2 = 1.4 V para Si) en los diodos. Esta es una desventaja en comparación con un diseño de grifo central de onda completa. Esta desventaja es solo un problema en las fuentes de alimentación de muy bajo voltaje.

Otras configuraciones La polaridad del rectificador de onda completa en el centro de la carga puede invertirse cambiando la dirección de los diodos. Además, los diodos invertidos pueden ser paralelos con un rectificador de salida positiva existente. El resultado es un rectificador de onda central de onda completa de doble polaridad en la figura a continuación. Tenga en cuenta que la conectividad de los propios diodos es la misma configuración que un puente.

Figura 9. Flujo de corriente para semi ciclos positivos.

Figura 7. Rectificador de grifo central de onda completa de doble polaridad. Figura 10. Flujo de corriente para semi ciclos negativos.

Rectificadores de puente de onda completa Existe otro diseño de rectificador de onda completa más popular, y está construido alrededor de una configuración de puente de cuatro diodos. Por razones obvias, este diseño se llama puente de onda completa.

Diagrama alternativo de circuito rectificador de puente de onda completa Recordar el diseño adecuado de los diodos en un circuito rectificador de puente de onda completa a menudo puede ser frustrante para el nuevo estudiante de electrónica. He descubierto que una representación alternativa de este circuito es más fácil de recordar y comprender. Es exactamente el mismo circuito, excepto que todos los diodos se dibujan en una actitud horizontal, todos "apuntando" en la misma dirección.

Figura 8. Rectificador de puente de onda completa.

Figura 11. Estilo de diseño alternativo para el rectificador de puente de onda completa.

Las direcciones actuales para el circuito rectificador de puente de onda completa son las que se muestran en la figura a continuación para el semiciclo positivo y la figura a continuación para los semiciclos negativos de la forma de onda de la fuente de CA. Universidad de Pamplona I. I. D. T. A.

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Versión polifásica con diseño alternativo Una ventaja de recordar este diseño para un circuito rectificador de puente es que se expande fácilmente en una versión polifásica en la Figura a continuación.

Figura 14. Salida de rectificador de onda completa trifásica y de CA trifásica.

Figura 12. Circuito rectificador de puente de onda completa trifásico.

Voltaje de ondulación En cualquier caso, de rectificación, monofásica o polifásica, la cantidad de voltaje de CA mezclado con la salida de CC del rectificador se denomina voltaje de ondulación. En la mayoría de los casos, dado que la CC "pura" es el objetivo deseado, el voltaje de ondulación es indeseable. Si los niveles de potencia no son demasiado grandes, se pueden emplear redes de filtrado para reducir la cantidad de ondulación en el voltaje de salida.

Cada línea trifásica se conecta entre un par de diodos: uno para enrutar la potencia al lado positivo (+) de la carga, y el otro para enrutar la potencia al lado negativo (-) de la carga.

3. MATERIALES, EQUIPOS E INSUMOS

Proteus. Fuente de alimentación. Protoboard. Cables. Resistencias. Diodo con su respectiva hoja de características: 1n4007. ✓ Multímetro. ✓ Osciloscopio. ✓ Transformador reductor. ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Los sistemas polifásicos con más de tres fases se acomodan fácilmente en un esquema rectificador de puente. Tomemos, por ejemplo, el circuito rectificador de puente de seis fases en la figura a continuación. Figura 13. Circuito rectificador de puente de onda completa de seis fases.

4. PROCEDIMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS En la siguiente practica se realizará un procedimiento, para la adquisición del conocimiento sobre los diodos, los cuales será presentado a continuación: Cuando se rectifica la CA polifásica, los pulsos de cambio de fase se superponen entre sí para producir una salida de CC que es mucho más "suave" (tiene menos contenido de CA) que la producida por la rectificación de la CA monofásica. Esta es una ventaja decidida en los circuitos rectificadores de alta potencia, donde el tamaño físico de los componentes de filtrado sería prohibitivo, pero se debe obtener una potencia de CC de bajo ruido. El diagrama de la siguiente figura muestra la rectificación de onda completa de la CA trifásica. Universidad de Pamplona I. I. D. T. A.

1. Se abrió el osciloscopio en Proteus y se comprobó el funcionamiento de sus canales. Figura 15. Comprobación del funcionamiento correcto del osciloscopio.

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2. Se seleccionó una fuente de señal de 110v ac y se conectó al devanado primario del trasformador. Con ayuda del multímetro se midió la tensión en el devanado secundario del transformador, y se calculó el Vp y Vpp de la señal.

4. Se halló el error entre las dos mediciones anteriores. Tabla No. 1: Análisis de error.

Teórico (V) Vp = 110 Vp-p = 220

Experimental (V) Vp = 110 Vp-p = 219.9

Figura 16. Primer circuito (transformador).

Cálculos: 𝑒=

𝑟𝑒𝑎𝑙 − 𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥𝑖𝑚𝑎𝑑𝑜 ∗ 100% (11) 𝑟𝑒𝑎𝑙

𝑉𝑝 (𝑒) = Cálculos:

110 √2 𝑉𝑝 =

= 77.78

𝑉𝑝 (𝑒) = 0% (13)

(05)

77.78 = 110 𝑣 0.707

110 − 110 ∗ 100% (12) 110

𝑉𝑝 (𝑒) = (06)

220 − 219.9 ∗ 100% (14) 220

𝑉𝑝 (𝑒) = 0.0454752160073% (15)

𝑉𝑝𝑝 = (77.78 ∗ 2)(√2) = 219.9

(07)

5. Se realizó el montaje para un rectificador de media onda.

3. Se visualizó en el osciloscopio la señal del devanado secundario del trasformador reductor y se obtuvieron los valores de Vp y Vp-p en el osciloscopio.

Figura 18. Montaje para un rectificador de media onda.

Figura 17. Osciloscopio en su señal del devanado primario y secundario.

6. Se visualizó y se caracterizó la tensión de salida del rectificador de media onda con respecto a los siguientes parámetros: tipo de señal, forma de onda, tensión pico a pico, tensión pico, periodo y frecuencia. Figura 19. Tensión de salida del rectificador de media onda.

Cálculos:

110 √2 𝑉𝑝 =

= 77.78

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77.78 = 110 𝑣 0.707

(09)

𝑉𝑝𝑝 = (77.78 ∗ 2)(√2) = 219.9

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Como respuesta, se pu do lograr visualizar que es un tipo de señal periódica con una forma senoidal, con una tensión de pico a pico de 220V, una tensión de pico de 110V, y su periodo es de 0.016s, así como también tiene una frecuencia de 60Hz.

Figura 22. Tensión de salida del rectificador de onda completa.

7. Se comparó las señales en el secundario del trasformador y en R, deduciendo preguntas tal ¿cómo son? ¿Por qué son así? Figura 20. Señales en el secundario del transformador (media onda). Figura 23. Señales en el secundario del transformador (onda completa).

Como respuesta se pudo deducir que, al hacer una comparación entre las dos señales, el osciloscopio en el punto A entra antes del rectificador, y antes de que este allí el transformador reduce el voltaje de la fuente original. Después de pasar por el rectificador hace que evite la circulación de la corriente negativa para evitar que llegue a hacer algún corto, prácticamente está en polarizado inverso.

Como respuesta se deduce que aquella es un tipo de señal de forma periódica, además su forma es senoidal con una tensión de pico a pico de 220V, y una tensión de pico de 110V, así como su periodo es de 0.016s y tiene una frecuencia de 60Hz. Si vemos la señal del transformador secundario podemos decir que es una onda completa, mientras que el otro (R), solo es una onda media.

8. Se repitieron los puntos 5 al 7, esta vez implementando un rectificador de onda completa.

Dado que en el transformador secundario se toman los puntos positivos y negativos del dicho circuito por lo que se da una onda completa, mientras que solo calculando R el circuito se da a media onda ya que la parte negativa se llega a cancelar con la tierra del circuito.

Figura 21. Montaje para un rectificador de onda completa.

9. Se compararon los dos rectificadores implementados anteriormente, se indicó al menos 3 diferencias eléctricas entre estos. Un rectificador de onda completa es un circuito empleado para convertir una señal de corriente alterna de entrada (Vi) en una señal de corriente pulsante de salida (Vo). A diferencia del rectificador de media onda, en este caso, la parte negativa de la señal se convierte es positiva o bien la parte positiva de la señal se convertirá en una negativa, según se llegue a necesitar la parte positiva o negativa . Ambas mitades del voltaje de CA de entrada producen los pulsos de

Como respuesta, se pu do lograr visualizar que es un tipo de señal periódica con una forma senoidal, con una tensión de pico a pico de 220V, una tensión de pico de 110V, y su periodo es de 0.016s, así como también tiene una frecuencia de 60Hz. Universidad de Pamplona I. I. D. T. A.

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corriente, durante el primer medio del ciclo D1 se inclina hacia inclina hacia adelante y D2 se sesga. Por lo tanto, D1 proporciona corriente en la salida. Durante el segundo medio ciclo, D1 se polariza inversamente y D2 se polariza hacia adelante y, por lo tanto, D2 proporciona corriente proporciona corriente en la salida. en la salida.

Donde sea sinérgicamente el trabajo del diodo “D1” y “D4” conjunto al “D3” y “D2”. 11. Se comparó el rectificador en puente con los rectificadores anteriormente trabajados, y se indicaron al menos 5 diferencias eléctricas. Figura 27. Anexo comparable.

10. Se repitió los puntos 5 al 7, esta vez implementando un rectificador en puente. Figura 24. Montaje para un rectificador de puente.

• Se pudo llegar a obtener mucha más rectificación. • Se obtuvo una oscilación y un tiempo más estable. • Si no se llega a dividir la señal se llega a trabajar con una tensión de carga mucho mayor. • Si llega a estar completo, ésta entrega una señal mucho más precisa y bastante estable. • Es bastante seguro

Figura 25. Tensión de salida del rectificador de puente.

Llegando a hacer uso en la conversión de corriente alterna en corriente continua, también es conocido como el Puente de Graetz, el cual consiste en 4 diodos de uso común, los cuales convierten una señal con partes positiva...