Contexto

En la actualidad, existe una gran cantidad de dispositivos que convierten el voltaje de corriente alterna proporcionado por la red en corriente directa; de tal manera que pueda ser utilizado en equipos actuales como cargadores para computadoras, celulares, entre otros. Sin embargo, estas cargas tienen un consumo de corriente relativamente bajo, por lo que los componentes utilizados en su implementación son de pequeña señal o baja potencia.

En aplicaciones de alta potencia —como en casos de distribución o control de máquinas eléctricas—, los elementos involucrados deben soportar altos voltajes de bloqueo y corrientes pico de elevada magnitud; por lo que elementos como el tiristor y el diodo juegan un importante papel en el desarrollo de estos convertidores.

Preguntas detonadoras o de reflexión:

¿Sabías que muchos aparatos utilizan convertidores electrónicos?

Explicación

8.1 Parámetros de funcionamiento

Los parámetros se dividirán en dos clasificaciones:

  • Los parámetros fundamentales, que se refieren a los voltajes, corrientes y potencias.
  • Los parámetros de desempeño, que se refieren a otras propiedades del rectificador

Los parámetros fundamentales se enlistan a continuación:

  • El valor promedio del voltaje de salida.
  • El valor efectivo del voltaje de salida.
  • El valor promedio de la corriente de salida.
  • El valor efectivo de la corriente de salida.
  • El valor efectivo de la corriente de entrada.
  • La potencia de directa de salida, en cuyo caso sería la potencia útil, Pcd=Vcd*Icd.
  • La potencia total de salida, Prms= Vrms* Irms.
  • Potencia de entrada, que sería en corriente alterna Ps=Vs*Is.

Estos parámetros presentan un significado bastante claro, sin embargo, las ecuaciones se irán definiendo más adelante ya que dependen de la configuración que se tenga en el rectificador.

Para el caso de los parámetros de desempeño se muestra una descripción.

  • La eficiencia de rectificación η, que refiere a la razón de potencia de directa contra la potencia total, lo que es η=Pcd/Prms.
  • El factor de forma, que representa la variación que tiene el voltaje en comparación con el deseado, FF=Vrms/Vcd.
  • El factor de rizado, es una comparación similar a la anterior, pero en la que sólo se toma en cuenta la componente de alterna sobre la de directa, RF= Vca/Vcd.
  • El factor de utilización del transformador, que indica la potencia que realmente se considera útil de la que consume todo el sistema en la entrada, TUF=Pcd/Ps.
  • Otros parámetros son el factor de potencia, el factor de desplazamiento y el de distorsión, sin embargo pueden no presentar mayor trascendencia en el tema, se invita al estudiante interesado a revisar la bibliografía propuesta.
8.2 Rectificadores monofásicos de media onda

Como introducción de rectificadores se iniciará con la configuración más sencilla que se puede tener en un sistema. En la figura 2 se observa un circuito conocido como rectificador de media onda, compuesto por una fuente alterna en serie con un diodo y una carga resistiva, se sabe que una vez que el voltaje de la fuente se vuelta positivo el diodo comenzará a conducir, y cuando se pase a la parte negativa bloqueará el voltaje.

Los valores más importantes a definir en esta parte son el voltaje efectivo y el promedio, éste último se puede observar como una componente de directa que mantiene el voltaje de salida.

Las definiciones de estos valores dan como resultado las siguientes ecuaciones:

Donde Vm se refiere al valor pico que presenta la fuente. Hay que señalar que como se pueden estar manejando muy altos voltajes, las caídas de los semiconductores son despreciables. Te invito a comprobar el resultado realizando el desarrollo pertinente.

Como se vio en el circuito anterior, no se puede realizar ningún control sobre el voltaje que recibe la carga, salvo que se ajustara la fuente, por eso recibe el nombre de rectificador de media onda no controlado. Ahora, si se utiliza como dispositivo semiconductor un tiristor, será posible determinar un ángulo de conducción.

Esta configuración se observa en la figura 4, aquí observamos nuevamente que para controlar el voltaje promedio se debe regular el área bajo la curva del voltaje de salida a través del ya conocido ángulo α.

Así observamos que al aumentar el ángulo de disparo se disminuye el voltaje y viceversa. Las ecuaciones que mencionan los voltajes promedio y efectivo se muestran a continuación.


Si utilizamos estas ecuaciones con valor de α = 0 tendríamos resultados de y que son los mismos que se presentan en el caso del diodo, mientras que si se le da un valor de α = π veríamos valores de cero en ambos casos, ya que se está permitiendo la conducción justo en el momento en que cambia de ciclo. A este último controlador se le conoce como rectificador de media onda controlado.

8.3 Rectificadores monofásicos no controlados

Ahora que se analizaron los primeros controladores, se finalizará el tema con el circuito que aparece en la figura 8. Este es uno de los rectificadores más conocidos, ya que se utiliza con regularidad en el diseño de fuentes básicas de pequeña señal.

La numeración de los diodos se debe a la forma en que estos conducen. Cuando el voltaje es positivo, la corriente circula a través del diodo D1, pasa a través de la carga y regresa por D2. De la misma manera, cuando el voltaje es negativo pasa primero por D3, llega a la carga y regresa por D4. Dando lugar al voltaje que aparece en la figura 8 y 9.


Fuente: Rashid, M. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones (3ª ed.). México: Pearson Educación


Los valores de salida se presentan a continuación.

Este voltaje de salida tiene un mayor voltaje de salida comparado con el que se tenía en el rectificador de media onda, el doble para ser exacto, lo que es bastante razonable ya que se duplica la cantidad de ondas en la señal. Es imprescindible observar que el voltaje de salida presenta el doble de frecuencia en comparación con la señal de entrada.

Cierre

En este tema observamos los primeros rectificadores, que presentan las configuraciones más sencillas, pero sirven de introducción para convertidores que emplean topologías complejas. Un punto importante es como los diodos y tiristores pueden manejar las mismas ecuaciones en cada estructura, simplemente cambian a un ángulo de disparo de 0°.

Revisa a continuación el Checkpoint:

Asegúrate de comprender:

  • La definición de los parámetros de funcionamiento.
  • Como ocurre la rectificación entre la fuente y la carga.

Referencias