2 Rectificadores no Controlados 2.1 Estructura básica del ...

1 Cap tulo 2 Rectificadores no Controlados 20 2 Rectificadores no Controlados Estructura b sica del diodo El elemento m s b sico dentro de los Rectificadores es el diodo. El diodo es un elemento de estado s lido compuesto por dos elementos semiconductores que entrelazados por una juntura conforman un dispositivo con caracter sticas tiles para lograr rectificaci n de se ales alternas. Figura El diodo posee dos terminales; nodo y c todo, el nodo est conectado en el terminal tipo p y el n corresponde al terminal c todo. Algunos elementos semiconductores utilizados habitualmente en la fabricaci n en elementos de estado s lido son el silicio y el germanio. En t rminos simples, podemos decir que el diodo permite el paso de corriente el ctrica en un s lo sentido. Si conectamos el diodo a una bater a como muestra la figura, se comportar como un interruptor cerrado y permitir circulaci n de corriente en la resistencia cuando el terminal positivo de la bater a coincide con el nodo.

2 Figura En cambio si la polaridad de la bater a se invierte, el diodo actuar como un interruptor abierto, ya que est polarizado en forma inversa y no habr circulaci n de corriente en el circuito. Figura Cap tulo 2 Rectificadores no Controlados 21 El diodo es un elemento que no posee caracter sticas ideales, por tanto se explicar n a continuaci n algunos puntos a considerar cuando se trabaje con este dispositivo. El diodo debido a las caracter sticas f sicas de los elementos que lo componen posee una resistencia no lineal en modo de polarizaci n directa y otra en modo de polarizaci n inversa, al decir no lineal nos referimos a que su valor es variable y depende de la corriente circulante. Adem s la capa de agotamiento del diodo posee una tensi n llamada potencial de barrera que es aproximadamente de v para diodos de silicio y v para diodos de germanio. Figura Cuando el diodo se polariza en forma directa el potencial de barrera es un nivel de voltaje opuesto al aplicado en el diodo y debe ser superado para lograr la conducci n.

3 Podr amos representar estas caracter sticas en el siguiente circuito. Figura Habitualmente los niveles de resistencia y voltaje de barrera que posee el diodo son despreciables en comparaci n con los elementos principales del circuito y suelen realizarse los estudios de Rectificadores sin considerar estos efectos. Cap tulo 2 Rectificadores no Controlados 22 El diodo tambi n posee una resistencia cuando se polariza en forma inversa, esta es de gran magnitud y no permite el paso de corriente (Salvo una corriente de saturaci n del orden de los nA). Cuando se incrementa el voltaje de polarizaci n inversa se puede llegar hasta el voltaje de ruptura del dispositivo y en este punto pierde su condici n de aislante y se produce una avalancha de electrones, luego la corriente se eleva bruscamente provocando la destrucci n del diodo por su excesiva disipaci n t rmica de potencia.

4 La curva caracter stica del diodo resume en forma gr fica los conceptos explicados anteriormente. Figura Como conclusi n, podemos observar que el diodo es un dispositivo con caracter sticas f sicas de gran utilidad, sin embargo no es un elemento ideal ya que en cualesquiera de sus condiciones de operaci n, ya sea como aislante o como conductor presenta imperfecciones en su funcionamiento ya que no es completamente aislante durante la polarizaci n inversa ni completamente conductor durante la polarizaci n directa. Todas las caracter sticas del diodo implican un nivel de p rdida energ tica cuando se trabaja con circuitos Rectificadores . Cap tulo 2 Rectificadores no Controlados 23 Rectificador Media Onda An lisis para carga R Anteriormente revisamos las caracter sticas del diodo y su comportamiento a diferentes tipos de polarizaci n.

5 Ahora si incluimos un diodo en un circuito alimentado por una fuente de corriente alterna, podremos apreciar la utilidad de este elemento para la conversi n de se ales alternas a se ales continuas. En los siguientes casos estudiados se asume que los diodos son ideales, esto quiere decir, no se considera su ca da de tensi n ni la corriente de saturaci n cuando est en modo de bloqueo, tambi n se considerar que el diodo posee una conmutaci n instant nea. El rectificador monof sico de media onda es la topolog a m s simple y podremos comprender mejor el funcionamiento del diodo cuando se ve excitado por una se al de CA. Aunque la siguiente topolog a no es til para sistemas de potencia, se usar para explicar en t rminos simples la variaci n de la se al de entrada y el comportamiento presentado en diversos tipos de carga. La figura muestra una carga resistiva alimentada por una fuente de voltaje sinusoidal, durante el semiciclo positivo de la se al alterna, el diodo se polariza en forma directa y sus caracter sticas f sicas lo convierten en un interruptor en estado de conducci n, as en la carga ya no habr una se al alterna sino una se al peri dica con una gran componente de CC.

6 Figura Cap tulo 2 Rectificadores no Controlados 24 La se al de voltaje presente en cada elemento del circuito se grafica a continuaci n: figura Para calcular el valor medio de la tensi n que recibe la carga, se aplica la expresi n general utilizada para funciones peri dicas. ) (..)(10 =TdttfTVdc En nuestro caso vemos que el per odo de la se al se divide en dos partes; una refleja la tensi n sinusoidal de la fuente alimentadora y la otra posee un nivel de voltaje nulo, pues el diodo no permite el paso de corriente por el circuito. As la expresi n para calcular Vdc queda: +=+= 02002021*21dwtwtSenVmVdcdwtdwtwtSenVmVdc Cap tulo 2 Rectificadores no Controlados 25 ()()) (..0220 VmVdcCosCosVmVdcwtCosVmVdc=+ = = Ejemplo : Se tiene una fuente de voltaje alterno de 220 Vrms alimentando a trav s de un diodo a una carga R de 50 : Determine el voltaje medio y corriente media en la carga Soluci n La expresi n calculada nos permite obtener el voltaje medio en la carga.

7 La fuente de voltaje posee un valor de tensi n efectivo, sin embargo para integrar la se al se utiliza el valor peak de tensi n. El voltaje medio obtenido ser : )( *2202*220vVdcVdcVm=== La corriente media en la carga se puede obtener f cilmente ya que la carga resistiva implica una corriente con la misma forma de onda que el voltaje resultante. Cap tulo 2 Rectificadores no Controlados 26 *210==== Factor de Potencia y energ a entregada. Debido a que las se ales presentes en el circuito estudiado no son se ales sinusoidales, las expresiones habituales para potencia activa y FP pierden validez. Para calcular el factor de potencia del circuito se puede calcular el factor de potencia de distorsi n o bien calcular la potencia activa consumida por la carga y establecer la raz n entre potencia real y potencia aparente, esta expresi n es v lida para sistemas no lineales y no lineales.

8 (..)()(VAPaparentewPactivaFP= Para calcular la Potencia activa consumida por la carga, se utiliza la siguiente expresi n: ) (..2 RVrmsP= Dado que conocemos la forma de onda del voltaje en la resistencia, debemos calcular entonces el valor de voltaje efectivo en ella. Cap tulo 2 Rectificadores no Controlados 27 ) (..22212021*21)(10222022202 VmVrmsdwtwtCosVmVrmsdwtwtSenVmVrmsdttVTV rmsT= =+== La corriente rms se calcula en forma similar: ) (..22212021*21)(1022220222202 RVmIrmsdwtwtCosRVmIrmsdwtwtSenRVmIrmsdtR tVTIrmsT= =+== Ahora :4222*2*42222222====== ==RVmRVmFPRVmRVmVmIrmsVrmsPaparenteRVmRV mRVrmsPactiva Cap tulo 2 Rectificadores no Controlados 28 Siempre debemos tener presente que el FP corresponde a la raz n entre potencia activa consumida por la carga y la potencia aparente que entrega la fuente alimentadora. Figura ) (..SPFP sistema= Rectificador media onda Carga Inductiva Cuando la carga alimentada por el rectificador es puramente inductiva, las formas de onda de las se ales cambian de forma significativa.)

9 Durante el primer semiciclo la corriente crece desde cero hasta un valor peak dado por Ip=2*Vp/wL. Durante dicho semiciclo la energ a ha sido transferida desde la fuente de CA al inductor, y *Ip watt-seg se han almacenado en su campo magn tico. Sin embargo, el diodo no puede interrumpir la corriente circulante cuando la fuente de voltaje invierte su polaridad y seguir conduciendo durante el semiciclo negativo, en el cual el voltaje de la fuente cambia de polaridad y la energ a acumulada por el inductor es devuelta a la red de alimentaci n. Si el inductor es ideal (R/L=0), el diodo conducir permanentemente y al final de cada ciclo la energ a total entregada ser cero. Adem s se observa que el diodo permanece en estado de conducci n en todo momento y el voltaje de la carga es id ntico al de la fuente de alimentaci n con una valor nulo de CC, en cambio el valor medio de la corriente est dado por Vp/L.

10 Cap tulo 2 Rectificadores no Controlados 29 A continuaci n se muestra el circuito y la forma de onda de las se ales de inter s: Figura Figura Rectificador Media Onda carga R/L Cuando se tiene una carga con elementos resistivos e inductivos el comportamiento de la corriente tiene una caracter stica diferente. En este caso al final del primer semiciclo, la corriente ser menor que la corriente calculada anteriormente debido a la ca da de voltaje y a la p rdida de potencia en R. Durante el segundo semiciclo la resistencia continuar disipando energ a mientras fluya corriente por el circuito. Dado que la energ a retornada a la fuente es distinta a la consumida, la corriente siempre llegar cero antes de concluir el segundo semiciclo. A diferencia de la carga netamente inductiva, ahora el diodo si conmuta a estado de bloqueo pero no lo hace Cap tulo 2 Rectificadores no Controlados 30 inmediatamente cuando la fuente cambia de polaridad sino cuando la corriente se reduce a cero y deja de forzar la conducci n del diodo.