RECTIFICADOR , CONTINUACIÓN
Filtro de entrada de condensador [ editar ]
Para una carga dada, el dimensionamiento de un condensador de suavizado es una compensación entre reducir el voltaje de ondulación y aumentar la corriente de ondulación. La corriente máxima 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 ondulación elevadas aumentan las pérdidas de I 2 R (en forma de calor) en los devanados del condensador, rectificador y transformador, y pueden exceder la ampacidad de los componentes o la clasificación VA del transformador. Los rectificadores de tubo de vacío especifican la capacidad máxima del condensador de entrada, y los rectificadores de diodos SS también tienen limitaciones de corriente. Los condensadores para esta aplicación necesitan baja ESR, o la corriente de ondulación puede sobrecalentarlos. Para limitar el voltaje de ondulación a un valor especificado, el tamaño del capacitor requerido es proporcional a la corriente de carga e inversamente proporcional a la frecuencia de suministro y al número de picos de salida del rectificador por ciclo de entrada. La salida rectificada de onda completa requiere un condensador más pequeño porque 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 requeriría un condensador que sea demasiado grande.
Filtro de entrada del estrangulador [ editar ]
También es posible colocar la forma de onda rectificada en un filtro de entrada de choque . La ventaja de este circuito es que la forma de onda de la corriente es más suave: la corriente se extrae durante todo el ciclo, en lugar de generarse en pulsos en los picos de voltaje de CA cada medio ciclo como en un filtro de entrada de condensador. La desventaja es que la salida de voltaje es mucho más baja: el promedio de un medio ciclo de CA en lugar del pico; esto es aproximadamente el 90% del voltaje RMS versusveces el voltaje RMS (sin carga) para un filtro de entrada de condensador. Contrarrestar esto es una regulación de voltaje superior y una mayor corriente disponible, que reduce el voltaje pico y las demandas de 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 a favor de los circuitos de semiconductores, como los reguladores de voltaje. [10]
Resistencia como filtro de entrada [ editar ]
En los casos en que el voltaje de ondulación es insignificante, como los cargadores de batería, el filtro de entrada puede ser una resistencia de serie única para ajustar el voltaje de salida al requerido por el circuito. Una resistencia reduce el voltaje de salida y el voltaje de onda proporcionalmente. Una desventaja de un filtro de entrada de resistencia es que consume energía en forma de calor residual que no está disponible para la carga, por lo que solo se emplea en circuitos de baja corriente.
Orden superior y filtros en cascada [ editar ]
Para reducir aún más la ondulación, el elemento de filtro inicial puede ser seguido por una serie alternante adicional y componentes de filtro de derivación, o por un regulador de voltaje. Los componentes de filtro en serie pueden ser resistencias o estranguladores; Los elementos de derivación pueden ser resistencias o condensadores. El filtro puede aumentar el voltaje de CC y reducir la ondulación. Los filtros a menudo se construyen a partir de pares de componentes en serie / derivación llamados secciones RC (resistencia en serie, condensador en derivación) o LC (estrangulador en serie, condensador en derivación). Dos geometrías de filtro comunes se conocen como filtros Pi (condensador, estrangulador, condensador) y T (estrangulador, condensador, estrangulador). A veces los elementos de la serie son resistencias, porque las resistencias son más pequeñas y más baratas, cuando una salida de CC más baja es deseable o permisible. Otro tipo de geometría de filtro especial es un estrangulador resonante en serie.o filtro de estrangulador sintonizado. A diferencia de las otras geometrías de filtro que son filtros de paso bajo, un filtro de estrangulador resonante es un filtro de parada de banda: es una combinación paralela de estrangulador y condensador que resuena a la frecuencia del voltaje de ondulación, presentando una impedancia muy alta a la ondulación. . Puede ser seguido por un condensador de derivación para completar el filtro.
Reguladores de voltaje [ editar ]
Una alternativa más habitual a los componentes adicionales del filtro, si la carga de CC requiere un voltaje de ondulación muy bajo, es seguir el filtro de entrada con un regulador de voltaje. Un regulador de voltaje funciona con un principio diferente que un filtro, que es esencialmente un divisor de voltaje que desvía el voltaje a la frecuencia de ondulación lejos de la carga. Más bien, un regulador aumenta o disminuye la corriente suministrada a la carga para mantener un voltaje de salida constante.
Un regulador de voltaje de derivación pasivo simple puede consistir en una resistencia en serie para reducir el voltaje de la fuente al nivel requerido y una derivación de diodo Zener con voltaje inverso igual al voltaje establecido. Cuando el voltaje de entrada aumenta, el diodo descarga la corriente para mantener el voltaje de salida establecido. Este tipo de regulador generalmente se emplea solo en circuitos de bajo voltaje y baja corriente porque los diodos Zener tienen limitaciones de voltaje y corriente. También es muy ineficiente, ya que descarga el exceso de corriente, que no está disponible para la carga.
Una alternativa más eficiente a un regulador de voltaje de derivación es un circuito regulador de voltaje activo . Un regulador activo emplea componentes reactivos para almacenar y descargar energía, de modo que la mayoría o la totalidad de la corriente suministrada por el rectificador pasa a la carga. También puede usar retroalimentación negativa y positiva junto con al menos un componente amplificador de voltaje como un transistor para mantener el voltaje de salida cuando cae el voltaje de la fuente. El filtro de entrada debe evitar que los canales del rizado caigan por debajo del voltaje mínimo requerido por el regulador para producir el voltaje de salida requerido. El regulador sirve tanto para reducir significativamente la ondulación como para hacer frente a las variaciones en las características de suministro y carga.
Aplicaciones [ editar ]
La aplicación principal de los rectificadores es derivar la alimentación de CC de un suministro 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 pueden dividirse en líneas generales en fuentes de alimentación lineales y fuentes de alimentación conmutadas . En tales 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.
Convertir la corriente continua de un voltaje a otro es mucho más complicado. Un método de conversión de CC a CC primero convierte la energía en CA (usando un dispositivo llamado inversor ), luego usa un transformador para cambiar el voltaje y finalmente rectifica la energía de nuevo a CC. Normalmente se usa 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 unidades con núcleo de hierro pesadas, voluminosas y caras. Otro método para convertir voltajes de CC utiliza una bomba de carga , que utiliza una conmutación rápida para cambiar las conexiones de los condensadores; esta técnica generalmente se limita a suministros de hasta un par de vatios, debido al tamaño de los condensadores requeridos.
Los rectificadores también se utilizan para la detección de señales de radio moduladas en amplitud . La señal puede amplificarse antes de la detección. De lo contrario, se debe usar un diodo de caída de voltaje muy bajo o un diodo polarizado con un voltaje fijo. Cuando se usa un rectificador para la demodulación, el condensador y la resistencia de carga deben coincidir cuidadosamente: una capacitancia demasiado baja hace que el portador de alta frecuencia pase a la salida, y demasiado alto hace que el capacitor se cargue y permanezca cargado.
Los rectificadores suministran voltaje polarizado para soldadura . En tales circuitos se requiere el control de la corriente de salida; esto a veces se logra al reemplazar algunos de los diodos en un puente rectificador con tiristores , de manera efectiva diodos cuya salida de voltaje se puede regular encendiendo y apagando con controladores de fase activada .
Los tiristores se utilizan en varias clases de sistemas de material rodante ferroviario para que se pueda lograr un control preciso de los motores de tracción. Los tiristores de apagado de puerta se utilizan para producir corriente alterna a partir de un suministro de CC, por ejemplo en los trenes Eurostar para alimentar los motores de tracción trifásicos. [11]
Tecnologías de rectificación [ editar ]
Electromecánico [ editar ]
Antes de aproximadamente 1905, cuando se desarrollaron los rectificadores de tipo tubo, los dispositivos de conversión de energía tenían un diseño puramente electromecánico. Los sistemas de rectificación mecánica usaban alguna forma de rotación o vibración resonante (por ejemplo, vibradores ) accionados por electroimanes, que operaban un interruptor o conmutador para invertir la corriente.
Estos rectificadores mecánicos eran ruidosos y tenían altos requisitos de mantenimiento. Las partes móviles tenían fricción, lo que requería lubricación y reemplazo debido al desgaste. Abrir contactos mecánicos bajo carga dio como resultado arcos eléctricos y chispas que calentaron y erosionaron los contactos. Tampoco pudieron manejar frecuencias de CA por encima de varios miles de ciclos por segundo.
Rectificador sincrónico [ editar ]
Para convertir la corriente alterna en corriente continua en locomotoras eléctricas , se puede utilizar un rectificador síncrono. [ cita requerida ] Consiste en un motor síncrono que acciona un conjunto de contactos eléctricos de servicio pesado. El motor gira al ritmo de la frecuencia de CA y periódicamente invierte las conexiones a la carga en un instante cuando la corriente sinusoidal pasa por un cruce por cero. Los contactos no tienen que cambiar una corriente grande, pero deben poder transportar una corriente grande para suministrar los motores de tracción de CC de la locomotora .
Rectificador vibratorio [ editar ]
Estos consistían en una caña resonante , vibrada por un campo magnético alterno creado por un electroimán de CA , con contactos que invirtieron la dirección de la corriente en los semiciclos negativos. Se utilizaron en dispositivos de baja potencia, como cargadores de batería , para rectificar el bajo voltaje producido por un transformador reductor. Otro uso fue en fuentes de alimentación de batería para radios de tubos de vacío portátiles, para proporcionar el alto voltaje de CC para los tubos. Funcionan como una versión mecánica de los modernos inversores de conmutación de estado sólido., con un transformador para aumentar el voltaje de la batería y un conjunto de contactos de vibrador en el núcleo del transformador, operados por su campo magnético, para romper repetidamente la corriente de la batería de CC y crear una CA pulsante para alimentar el transformador. Luego, un segundo conjunto de contactos rectificadores en el vibrador rectificó el alto voltaje de CA del transformador secundario a CC.
Grupo electrógeno [ editar ]
Un grupo motor-generador , o el convertidor rotativo 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 "conjunto MG", el eje de un motor de CA está acoplado mecánicamente al de un generador de CC . El generador de CC produce corrientes alternas multifase en sus devanados de armadura , que un conmutador en el eje de la armadura convierte en una salida de corriente continua; o un generador homopolarproduce una corriente continua sin la necesidad de un conmutador. Los conjuntos MG son útiles para producir CC para motores de tracción ferroviarios, 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 se convirtieran ampliamente disponible.
Electrolítico [ editar ]
El rectificador electrolítico [12] fue un dispositivo de principios del siglo XX que ya no se usa. Una versión casera se ilustra en el libro de 1913 The Boy Mechanic [13], pero sería adecuada para usar 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 de Estados Unidos 1671970). [14]
Cuando dos metales diferentes se suspenden en una solución electrolítica, la corriente continua que fluye en una dirección a través de la solución ve menos resistencia que en la otra dirección. Los rectificadores electrolíticos utilizan más comúnmente un ánodo de aluminio y un cátodo de plomo o acero, suspendidos en una solución de trifosfato de amonio.
La acción de rectificación se debe a una capa delgada de hidróxido de aluminio en el electrodo de aluminio, formado al aplicar primero una fuerte corriente a la celda para construir la capa. El proceso de rectificación es sensible a la temperatura, y para una mejor eficiencia no debe funcionar por encima de 86 ° F (30 ° C). También hay un voltaje de ruptura donde se penetra el recubrimiento y la celda se cortocircuita. Los métodos electroquímicos a menudo son 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.
Se usaron dispositivos electrolíticos similares como pararrayos en la misma época al suspender muchos conos de aluminio en un tanque de solución de fosfato de triamonio. A diferencia del rectificador anterior, solo se usaron electrodos de aluminio y se usaron en CA, no hubo polarización y, por lo tanto, no hubo acción del rectificador, pero la química fue similar. [15]
El condensador electrolítico moderno , un componente esencial de la mayoría de las configuraciones de circuitos rectificadores, también se desarrolló a partir del rectificador electrolítico.
Tipo de plasma [ editar ]
El desarrollo de la tecnología de tubos de vacío a principios del siglo XX dio como resultado la invención de varios rectificadores de tipo tubo, que reemplazaron en gran medida a los rectificadores mecánicos ruidosos e ineficientes.
Arco de mercurio [ editar ]
Un rectificador utilizado en los sistemas de transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje (HVDC) y el procesamiento industrial entre aproximadamente 1909 y 1975 es un rectificador de arco de mercurio o una válvula de arco de mercurio . El dispositivo está encerrado en un recipiente de vidrio con bulbo o en una bañera de metal grande. Un electrodo, el cátodo , está sumergido en una piscina de mercurio líquido en el fondo del recipiente y uno o más electrodos de grafito de alta pureza, llamados ánodos., están suspendidos sobre la piscina. Puede haber varios electrodos auxiliares para ayudar a iniciar y mantener el arco. Cuando se establece un arco eléctrico entre el grupo de cátodos y los ánodos suspendidos, una corriente de electrones fluye desde el cátodo hacia los ánodos a través del mercurio ionizado, pero no al revés (en principio, esto es una contraparte de mayor potencia para la rectificación de llama , que utiliza las mismas propiedades de transmisión de corriente unidireccional del plasma presente naturalmente en una llama).
Estos dispositivos se pueden usar a niveles de potencia de cientos de kilovatios y se pueden construir para manejar de una a seis fases de corriente alterna. Los rectificadores de arco de mercurio han sido reemplazados por rectificadores semiconductores de silicio y circuitos de tiristores de alta potencia a mediados de la década de 1970. Los rectificadores de arco de mercurio más potentes jamás construidos se instalaron en el proyecto HVDC Bipole River de Manitoba Hydro Nelson , con una potencia combinada de más de 1 GW y 450 kV. [16] [17]
Tubo de electrones de gas argón [ editar ]
El rectificador General Electric Tungar era un dispositivo de tubo de electrones lleno de gas de vapor de mercurio (ej .: 5B24) o argón (ej .: 328) con un cátodo de filamento de tungsteno y un ánodo de botón de carbono. Funcionó de manera similar al diodo del tubo de vacío termoiónico, pero el gas en el tubo se ionizó durante la conducción directa, lo que le dio una caída de voltaje directo mucho más baja para que pudiera rectificar voltajes más bajos. Fue utilizado para cargadores de batería y aplicaciones similares desde la década de 1920 hasta que los rectificadores de metal de menor costo , y más tarde los diodos semiconductores, lo suplantaron. Estos se hicieron hasta unos pocos cientos de voltios y algunos amperios, y en algunos tamaños se parecía 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 tubos de vacío en las décadas de 1940 y 1950. Era un tubo rectificador convencional de onda completa con dos ánodos y un cátodo, pero era único porque no tenía filamento (por lo tanto, el "0" en su número de tipo). Los electrodos tenían una forma tal que el voltaje de ruptura inversa era mucho más alto que el voltaje de ruptura directa. Una vez que se excedió el voltaje de ruptura, el 0Z4 cambió a un estado de baja resistencia con una caída de voltaje directo de aproximadamente 24 V.
Tubo de vacío de diodo (válvula) [ editar ]
El diodo del tubo de vacío termoiónico , originalmente llamado válvula de Fleming , fue inventado por John Ambrose Fleming en 1904 como detector de ondas de radio en receptores de radio, y evolucionó hasta convertirse en un rectificador general. Consistía en un bulbo de vidrio evacuado con un filamento calentado por una corriente separada y un ánodo de placa de metal . El filamento emitió electrones por emisión termiónica (el efecto Edison), descubierto por Thomas Edison en 1884, y un voltaje positivo en la placa causó una corriente de electrones a través del tubo desde el filamento a la placa. Como solo el filamento produce electrones, el tubo solo conduciría corriente en una dirección, permitiendo que el tubo rectifique una corriente alterna.
Los rectificadores de diodos termiónicos se utilizaron ampliamente en fuentes de alimentación en productos electrónicos de consumo de tubos de vacío, como fonógrafos, radios y televisores, por ejemplo, el receptor de radio All American Five , para proporcionar el alto voltaje de placa de CC que necesitan otros tubos de vacío. Las versiones de "onda completa" con dos placas separadas eran populares porque podían usarse con un transformador de derivación central para hacer un rectificador de onda completa. Los rectificadores de tubo de vacío se fabricaron para voltajes muy altos, como la fuente de alimentación de alto voltaje para el tubo de rayos catódicos de los receptores de televisión , y el kenotron utilizado para el suministro de energía 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 acarga espacial y, por lo tanto, caídas de alto voltaje, causando una alta disipación de energía y baja eficiencia. Raramente pueden manejar corrientes superiores a 250 mA debido a los límites de disipación de potencia de la placa, y no pueden usarse para aplicaciones de bajo voltaje, como cargadores de baterías. Otra limitación del rectificador de tubo de vacío es que la fuente de alimentación del calentador a menudo requiere disposiciones especiales para aislarlo de los altos voltajes del circuito rectificador.
Estado sólido [ editar ]
Detector de cristal [ editar ]
El detector de cristal fue el primer tipo de diodo semiconductor. Inventado por Jagadish Chandra Bose y desarrollado por GW Pickard a partir de 1902, fue una mejora significativa con respecto a los detectores anteriores, como el coherente. El detector de cristales se usó ampliamente antes de que los tubos de vacío estuvieran disponibles. 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 cable elástico ligero que toca su superficie. Su fragilidad y capacidad de corriente limitada lo hacen inadecuado para aplicaciones de suministro de energía. En la década de 1930, los investigadores miniaturizaron y mejoraron El detector de cristal para su uso en frecuencias de microondas.
Rectificadores de selenio y óxido de cobre [ editar ]
Una vez comunes hasta que fueron reemplazadas por rectificadores de silicio en estado sólido más compactos y menos costosos en la década de 1970, estas unidades utilizaron pilas de placas metálicas recubiertas de óxido y aprovecharon las propiedades semiconductoras de selenio u óxido de cobre. [18] Mientras que los rectificadores de selenio eran más livianos y usaban menos energía que los rectificadores de tubos de vacío comparables, tenían la desventaja de tener una esperanza de vida limitada, aumentar la resistencia con la edad, 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 de transitorios de voltaje momentáneo que los rectificadores de silicio.
Típicamente, estos rectificadores estaban formados por pilas de placas de metal o arandelas, unidas por un perno central, con el número de pilas determinado por el voltaje; cada celda fue clasificada para aproximadamente 20 V. Un rectificador de cargador de batería automotriz podría tener solo una celda: la fuente de alimentación de alto voltaje para un tubo de vacío podría tener docenas de placas apiladas. La densidad de corriente en una pila de selenio enfriada por aire fue de aproximadamente 600 mA por pulgada cuadrada de área activa (aproximadamente 90 mA por centímetro cuadrado).
Diodos de silicio y germanio [ editar ]
Los diodos de silicio son los rectificadores más utilizados para voltajes y potencias más bajos, y han reemplazado en gran medida a otros rectificadores. Debido a su voltaje directo sustancialmente más bajo (0.3V versus 0.7V para diodos de silicio) los diodos de germanio tienen una ventaja inherente sobre los diodos de silicio en circuitos de bajo voltaje.
Alta potencia: tiristores (SCR) y nuevos convertidores de voltaje basados en silicio [ editar ]
En aplicaciones de alta potencia, desde 1975 hasta 2000, la mayoría de los rectificadores de arco de válvula 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 diodo simple.
En aplicaciones de transmisión de potencia media , los sistemas rectificadores de semiconductores de silicio de convertidor de fuente de voltaje (VSC) aún más complejos y sofisticados , como los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y los tiristores de apagado de compuerta (GTO) , han hecho una transmisión de potencia de CC de alto voltaje más pequeña Sistemas económicos. Todos estos dispositivos funcionan como rectificadores.
A partir de 2009 , 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 conmutador de puerta integrado (IGCT), aumentaran su potencia. calificación hasta el punto de que eventualmente reemplazarían los sistemas simples de rectificación de CA basados en tiristores para las aplicaciones de CC de transmisión de potencia más altas. [19]
Rectificador activo [ editar ]
La rectificación activa es una técnica para mejorar la eficiencia de la rectificación mediante el reemplazo de diodos con interruptores controlados activamente como transistores , generalmente MOSFET de potencia o BJT de potencia . [20] Mientras que los diodos semiconductores normales tienen una caída de voltaje aproximadamente fija de alrededor de 0.5-1 voltios, los rectificadores activos se comportan como resistencias y pueden tener una caída de voltaje arbitrariamente baja.
Históricamente, los interruptores de vibrador accionado o accionados por motor conmutadores también se han utilizado para rectificadores mecánicos y rectificación síncrona. [21]
La rectificación activa tiene muchas aplicaciones. Se usa con frecuencia para conjuntos de paneles fotovoltaicos para evitar el flujo de corriente inversa que puede causar un sobrecalentamiento con sombreado parcial al tiempo que proporciona una pérdida de potencia mínima.
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