Conceptos basicos de rectificadores Electronica I

El circuito rectificador
La función básica del circuito rectificador en una fuente de
alimentación es convertir el voltaje de CA obtenido a la salida del
transformador en un voltaje de CC pulsante, el cual tiene una
polaridad única.
Figura 1. Aspecto físico (a) y símbolo (b) de un diodo
rectificador
Este proceso, denominado rectificación, es posible gracias a la
utilización de unos componentes electrónicos llamados diodos, figura 1
diseñados específicamente para permitir la circulación de la corriente
en un solo sentido y bloquearla en el sentido opuesto.
Figura 2. Acción básica de un diodo rectificador (media onda)
Esta característica los hace adecuados para convertir corriente alterna
bidireccional en corriente continua unidireccional figura 2.
Un diodo permite el paso de corriente cuando el ánodo (A) es positivo
con respecto al cátodo (K), y lo bloquea en el caso contrario, figura 3.
En el primer caso se dice que esta polarizado directamente y en el
segundo que lo esta inversamente. Un diodo polarizado directamente

se comporta como un interruptor cerrado y uno polarizado
inversamente como un interruptor abierto. En el primer caso, la
corriente a través del diodo es la misma de la carga (IL), mientras que
en el segundo el voltaje entre sus terminales es igual al voltaje de
alimentación (Vcc).
Los diodos rectificadores se especifican por su máxima capacidad de
corriente en condiciones de polarización directa y de voltaje en
condiciones de polarización inversa. El diodo 1N4001, por ejemplo, es
de 50V/1A. Esto significa que puede soportar hasta 50 V con
polarización inversa o hasta 1 A con polarización directa. Cuando el
voltaje o la corriente, bajo estas condiciones, exceden los valores
especificados, el diodo se destruye. Como regla práctica, estos valores
pueden escogerse de modo que sean, por lo menos, el doble de los
valores máximos utilizados en el circuito.
Tipos de rectificadores
Los rectificadores pueden ser media onda o de onda completa,
dependiendo de si utilizan uno o ambos semiciclos de la tensión de CA
para producir la tensión de CC pulsante.
a) Diodo Polarizado directamente cc
L
L
V
I
R


b) Diodo polarizado inversamente
Figura 3. Polarización directa (a) e inversa (b) de un diodo
Circuitos equivalentes.
El rectificador de la figura 3, por ejemplo, es media onda, porque
ignora los semiciclos negativos y deja pasar únicamente los semiciclos
positivos. En el caso de un rectificador de onda completa, figura 4,
también pasan los semiciclos negativos, pero su polaridad invertida,
quedando así convertidos en semiciclos positivos. A continuación
examinaremos la forma como estos procesos se llevan a cabo.
Figura 4. Acción básica de un rectificador de onda completa
El rectificador de media onda
La forma más sencilla de convertir corriente alterna en corriente
continua es utilizando un rectificador de media onda, como el
mostrado en la figura 5.
Figura 5. Circuito práctico de un rectificador de media onda.
En este caso, durante los semiciclos positivos de la tensión de entrada
aplicada al primario del transformador, el secundario tiene una tensión
positiva entre sus extremos. Por tanto, el diodo queda polarizado

directamente, permitiendo la circulación de corriente hacia la carga,
figura 6.
Figura 6. Formas de onda de un rectificador de media onda
Durante los semiciclos negativos de la tensión de entrada, el
secundario entrega una tensión negativa entre sus extremos. Por
tanto, el diodo queda polarizado inversamente, impidiendo el paso de
corriente. En otras palabras, el diodo se comporta como un interruptor
cerrado durante los semiciclos negativos, figura 7. Como resultado,
sobre la carga (RL) se produce un voltaje de CC pulsante formado por
pulsos sinusoidales positivos. Debido a que los semiciclos negativos
han sido cortados o eliminados, esta forma de señal se denomina una
media onda.
a) Semiciclos positivos ( )D On

b) Semiciclos negativos (D = OFF)
Figura 7. Circuitos equivalentes de un rectificador de media
onda
El voltaje de CC pulsante obtenido a la salida de un rectificador de
media onda tiene una frecuencia (f) igual a la de la tensión de la red,
es decir 50 o 60 Hz, y una amplitud igual al valor pico (Vp) de la
tensión en el secundario. Si se conecta un voltímetro de CC entre los
extremos de la carga, el mismo proporcionará una lectura (Vcc) igual
al valor medio de la tensión de salida. Para una señal media onda,
este valor esta dado por:
0.318p
cc p
V
V V

 
Siendo el Vp el valor pico. En la práctica, el voltaje real obtenido sobre
la carga es ligeramente inferior a este valor, debido a que sobre el
diodo se presenta una pequeña caída de voltaje, del orden de 0.7V, en
condiciones de polarización directa. El siguiente ejemplo aclarará
estos conceptos. La práctica 3 los fijara de manera práctica.
Ejemplo 1
Un rectificador de media onda como el de la figura 8 tiene aplicada
una tensión de entrada de CA de 120V/60Hz. Si el secundario entrega
una tensión de salida de 15V a una carga de 100, ¿Cuál será el valor
medio de la tensión de CC medida por el voltímetro? Asuma que la
caída de tensión en el diodo (VD) es de 0.7V.

Figura 8. Rectificador de media onda para el ejemplo 1
Solución
Inicialmente debemos calcular el valor pico de la tensión de CA del
secundario (Vp2). Este último puede calcularse a partir del valor rms
dado (15V) así:
2 1.4142 15 21.21P rmsV V V V   
Por tanto idealmente, el valor medio del voltaje de salida medido por el
voltímetro es:
  0.318 21.21 6.75p
cc
V
V ideal V V

   
En la práctica, a este valor debemos restarle la caída de voltaje sobre
el diodo (0.7V) para obtener el voltaje de salida real. Por tanto:
( ) ( ) 6.75 0.7 6.05cc cc dV real V ideal V V V V    
Este último sería el valor finalmente leído en el voltímetro.
Ejemplo 2
Se desea diseñar un transformador para un rectificador de media onda
que suministre 1A de CC de salida a una carga de 10 a partir de una
tensión de red de 220 V, 50 Hz. Para ello se selecciona un diodo
rectificador que tiene una caída de voltaje directa de 0.45V. ¿Cuál
debe ser el valor nominal de la tensión en el secundario?

Solución
El valor medio del voltaje de CC sobre la carga (VL) es simplemente:
1 10 10L L LV I R A V     
Este valor debe ser igual al valor medio ideal de la tensión secundaria
rectificada (0.318Vp) menos la caída de voltaje en el diodo ( 0.45dV V )
Por tanto:
0.318 10.45p L dV V V V  
Siendo pV el valor pico de la tensión de salida del secundario. Por
tanto:
10.45
32.86
0.318
p
V
V V 
Y
23.3
2
p
rms
V
V V 
Lo anterior implica que debe utilizarse un transformador reductor de
220V a 23.3V con una capacidad de corriente superior a 1A.
Rectificador de Onda Completa con transformador de toma intermedia
El rectificador de media anterior es muy sencillo porque utiliza un
mínimo de componentes. Sin embargo, no es muy eficiente, 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 9.

Figura 9. Rectificador de onda completa con dos rectificadores
de media onda
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
una rectificación de onda completa. Desafortunadamente, necesita dos
transformadores, lo cual lo hace poco práctico.
Un refinamiento del circuito anterior es el rectificador de onda
completa mostrado en la figura 10a, el cual utiliza un transformador
con una derivación intermedia en el devanado del secundario.

Figura 10. Rectificador de onda completa con transformador de
toma intermedia. Dos versiones del mismo circuito
Esta última es la tierra o línea común de referencia de los voltajes de
entrada o línea común de referencia de los voltajes de entrada y salida
del rectificador, figura 10b. Debido a este modo de conexión, el circuito
es equivalente a dos rectificadores de media onda, excepto que utiliza
un solo transformador.
En la figura 11 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
 2 y 2V a V b son idénticas, pero están desfasadas 180°.

Figura 11. Formas de onda del rectificador de onda completa
con transformado de derivación central
Durante los semiciclos positivos de la tensión de entrada, V2a es
positiva y V2b es negativa. Por tanto, conduce el diodo D1. Durante
los semiciclos negativos, V2a es negativa y V2b es positiva. Por tanto
conduce el diodo D2. De este modo la carga recibe corriente
unidireccional durante ambos semiciclos.
El voltaje de CC pulsante, obtenido a la salida del rectificador de onda
completa anterior (VL), tiene una frecuencia (f) igual al doble de la
tensión de la red, es decir 100 Hz ó 120 Hz, y una amplitud igual al
valor pico (Vp) de la tensión del secundario. Si se conecta un
voltímetro de CC entre los extremos de la carga, el mismo

proporcionara una lectura (Vcc) igual al valor medio de la tensión de
salida. Para una señal de onda completa, este valor dado por:
2
0636p
p
V
Vcc V

 
Siendo el valor pico de V2a 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. El experimento 4 fijara de manera
práctica estos conceptos.
Rectificador de onda completo tipo puente
El rectificador de onda completo con transformador de toma intermedia
elimina algunas 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 al figura 12,
el cual utiliza cuatro diodos en lugar de dos y no requiere de una
derivación central del transformador, supera esta dificultad,
permitiendo obtener una tensión de salida en CC de la misma amplitud
que la tensión de entrada de CA.

Figura 12. 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 solo
modulo.
En la figura 13 se muestran las formas de onda que describen la
operación del circuito. Su funcionamiento puede comprenderse mejor
que con la ayuda de circuitos equivalentes de la figura 14.
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.

Figura 13. Formas de onda del rectificador de onda completa
tipo puente (a) Circuito de voltaje de entrada (b) Circuito de
voltaje de salida.
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
devanado central.
Por tanto su frecuencia es el doble de la frecuencia de la red (100Hz o
120 Hz) y su valor medio, es decir el medido con un voltímetro de CC,
esta dado por:
2
0.636p
cc p
V
V V

 
Siendo pV 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.
Figura 14. Circuitos equivalentes de un rectificador de onda
completa con puente de diodos durante los semiciclos positivos
(a) y negativos (b)
Por lo tanto, a la tensión obtenida mediante la fórmula anterior deben
desconectarse alrededor de 1.4 V para obtener la tensión de salida
real. El siguiente ejemplo aclarara estos conceptos. El experimento 5
los fijara de manera práctica.
Ejemplo 3
Suponga que en el circuito de la figura 12a 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):
2
1
20
2
1 220
2 11 ( )
20 20
2 2 1.4142 11 15.6
V
V
V
V V rms
V p V V

  
   
Por tanto, ignoramos las caídas de voltaje en los diodos, el valor
medio del voltaje de salida es:
0.636 2 0.636 15.6 9.90ccV V p V   
Este sería, idealmente el valor medido en un voltímetro de CC.
Asumiendo una caída total de 1.4 V en los diodos del puente
rectificador, el valor real medido sería del orden de 9.90 1.4 8.5V V V 
Puentes rectificadores integrados
La rectificación de onda completa, mediante un puente de diodos, es
una de las técnicas de conversión 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 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
capsula, figura 15.
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 W04M, 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 1.5 A de corriente promedio
hasta la carga y soportar 400 V de voltaje pico en condiciones de
polarización inversa.
Puente Rectificador
Puente rectificador
Figura 15. Puentes rectificadores integrados

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
senoidal 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 un
condensador electrolítico de muy alta capacidad.
Figura 16. Rectificador de media onda con filtro condensador
En la figura 16 se muestra como ejemplo un rectificador de media
onda con filtro condensador.
En la figura 17 se observa la forma de onda de voltaje de salida
obtenido.
El funcionamiento del circuito puede comprenderse fácilmente con
ayuda de los circuitos equivalentes de la figura 18.

Figura 17. Formas de Onda del rectificador de Media onda con
filtro
Figura 18. Circuitos equivalentes del rectificado de media onda
con filtro. La carga siempre esta recibiendo corriente procedente

del transformador (a) o del condensador filtro (b). El diodo D1
permanece bloqueado entre t1 y t3, ¿por qué?
Durante el primer cuarto de ciclo (t0-t1), el diodo conduce permitiendo
que el condensador C se cargue al valor pico (Vp) 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
le condensador se descargue lentamente a través de la carga,
actuando con una fuente temporal de voltaje.
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 en 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 del rectificado. Su amplitud pico a pico (Vrpp) está dada, en
forma aproximada, por la siguiente formula:
( )
L
rpp
I
V
fC

Siendo IL 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 de 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 50 Hz, el rizado puede
ser de 50 Hz o de 100 Hz, dependiendo del esquema de rectificación
empleado.

En general, entre más alta sea la frecuencia de rizado, más fácil es la
operación de filtrado.
Observe la figura 16 no tiene conectada una carga, el valor de la
corriente de carga (IL) es 0A, y por tanto la amplitud del rizado (Vrpp)
es 0V. Bajo estas condiciones, el voltaje de salida es constante e igual
al valor pico de la tensión de entrada  2L pV V .
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 (Vrpp) sea lo
más pequeña posible ya que este voltaje alterno puede manifestarse
como un ruido en los amplificadores de audio, por ejemplo. Pare ello,
el valor del condensador de filtro (C) debe ser escogido de tal modo
que el producto RL C , llamado contante de tiempo del circuito, sea
mucho mayor que el periodo de la señal de entrada  1/T f , por lo
meno diez veces. De este modo se garantiza que el condensador solo
pierda una pequeña parte de su carga almacenada durante el tiempo
en el que el diodo D1 permanece cortado.
Ejemplo 4
En un rectificador de media onda, con filtro como el de la figura 16, el
voltaje de CA de entrada (V2) tiene un valor pico de 10V y una
frecuencia de 50 Hz. Si el circuito alimenta una carga de 20 , ¿Cuál
debe ser el valor mínimo del condensador filtro C para que la tensión
de rizado este por debajo de 0.5 Vpp? Asuma que la caída de voltaje
sobre el diodo, en condiciones de polarización directa es cero.
Solución
Inicialmente calculamos la corriente de la carga (IL). Puesto que
20LR   y 10LV V (aproximadamente igual al valor pico de la tensión
de CA de entrada), entonces:

10
0.5
20
L
L
L
V V
I A
R
  

Conociendo la corriente de carga (IL=0.5A), el valor pico a pico del
voltaje de rizado (Vrpp=0.5V) y la frecuencia de este ultimo (f=50Hz),
podemos entonces calcular el valor mínimo del condensador de filtro
(C) así:
 
0.5
0.02
( ) 50 0.5
20 20000
L L
rpp
rpp
I I
V C F
fC f V
F mF uF
    
 
 
Por tanto se requiere como mínimo un condensador de filtro de
20000 F . Este último puede ser obtenido, por ejemplo conectando en
paralelo dos condensadores electrolíticos de 10000 F , 6 de 3300uF ,
10 de 2200uF , 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.
Obsérvese que el producto (400 )RL C ms es mucho mayor que el
periodo del voltaje de entrada (20ms).

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