En un puente de diodos no es posible controlar el voltaje que llega a la carga si el que se recibe es fijo. Al cambiarlos por tiristores, el principio de conducción se mantiene igual, sólo que el control se realiza con base en el ángulo de disparo α, las ecuaciones que indican los valores de voltaje se presentan a continuación.

En estas ecuaciones se han contemplado cargas resistivas. Si ahora se cambiara por un motor de directa, se colocarían en el circuito los elementos que describen el circuito equivalente, lo que se muestra en la figura 1.

En este circuito se puede observar una resistencia, una inductancia y una fuente que representa el voltaje inducido. El comportamiento que ocurre bajo estas cargas es que la resistencia siempre estará recibiendo potencia, la inductancia recibe potencia en la parte positiva y entrega en la negativa y la fuente recibe y podría entregar, pero para este análisis no lo hace. Vemos un comportamiento donde la energía almacenada en la inductancia impide que se bloquee la conducción cuando cambia el sentido del voltaje.

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

Bajo estas condiciones, se pueden establecer las siguientes ecuaciones, que serán válidas siempre y cuando la corriente sea continua en la carga, que ocurre si .

En cargas de este tipo, es de suma importancia la corriente que circula por ellas, ya que presenta un valor bastante estable en comparación con el voltaje. En las referencias se utilizan análisis con ecuaciones complejas en la obtención de la corriente que involucra integrales, causando que circuitos no tan complicados aumentan de dificultad. Es por esto que se presentará un análisis que aprovecha el principio de superposición en su desarrollo, concluyendo resultados que tienen variaciones de menos de decimales.

Para este método se tomarán en cuenta algunas premisas, por ejemplo, tener alta inductancia en el sistema, lo que provoca que las componentes armónicas de la corriente sean muy pequeñas en comparación con la fundamental (menos del 5%), esto permitirá utilizar la impedancia de la fundamental para toda la componente de alterna.

A continuación se utilizará un ejemplo para ilustrar el proceso que se tendría en este tipo de análisis. Utilizando el circuito de arriba se tienen los valores de Vrms=120 [V], L=4.5 [mH], R=1.5 [Ω], E=10 [V] y α=30°.

Los valores de voltaje se obtienen con las ecuaciones previamente indicadas.

Antes de obtener la corriente es necesario definir el valor de la impedancia, por lo que al obtener la frecuencia angular y observando la frecuencia en la carga se tiene:

Dando una impedancia de:

La corriente promedio de salida:

Basándose en el principio de superposición, la componente de alterna de la corriente de salida se obtiene usando la componente de alterna de voltaje.

Teniendo como valor efectivo de la corriente:

Por lo que la corriente en cada tiristor sería:

Se divide entre dos porque la corriente pasa en un sentido por dos tiristores y posteriormente por el siguiente par. Estos valores representan los límites mínimos que debe cumplir el elemento a seleccionar.

Existen diversas formas de evitar el inconveniente de la corriente almacenada en la inductancia, una de ellas consiste en agregar un diodo como aparece en la imagen de abajo. Así, cuando el voltaje cambia de sentido, la corriente que se tenía almacenada comienza a circular por el camino de menor trabajo, que es el diodo, ya que presenta una menor caída de voltaje en comparación con los dos tiristores. El voltaje puede continuar sólo con valores positivos y pueden utilizarse las ecuaciones de voltaje como si fuera una carga resistiva, siempre considerando la corriente que estará circulando por el diodo.

Ahora, en el análisis de corrientes se debe tomar en cuenta que habrá un tiempo en que la corriente circule por los tiristores y otro en que circule por el diodo, a estos periodos se les conoce como fracción de conducción, que para cada tiristor sería

Mientras que para el diodo se tendría:

De modo que ésta se utilizará al querer obtener la corriente que circula por cada elemento.

Otra manera de eliminar este efecto es sustituir algunos tiristores por diodos, de manera que la corriente que queda remanente en la carga circule libremente. En este caso existen muchas variaciones, como la sustitución de T4 y T2 o T3 y T2 por diodos, así cuando se cambia al otro semiciclo, la corriente circulará por ellos de forma libre sin que pase por la fuente.

Para este análisis los valores de voltaje se calculan de la misma manera que con un diodo normal, sin embargo, el estudio de la corriente dependerá de la configuración utilizada, ya que tendrá una fracción de conducción diferente para cada caso. Se ejemplificará la circulación de la corriente con el voltaje de salida, tal como se muestra en la figura 5.

Se observa que en los segmentos donde la corriente debería seguir circulando por la fuente y por consiguiente mostrando un valor de voltaje negativo, se está circulando corriente sólo entre los diodos implantados (T3 y T2 por D3 y D2) y la carga. Dado que solamente se puede ejercer control sobre los tiristores en el puente, a estas configuraciones con diodos se les conoce como rectificadores semicontrolados.

Después de mencionar gran parte de las configuraciones en rectificadores monofásicos, se introducirá a los sistemas trifásicos con las rectificación más básica. Un diodo conduce cuando se tiene una fuente que permita el flujo, pero si se presenta un voltaje mayor del lado de la carga éste permanecerá bloqueado. Cuando se tiene un caso como el de la figura 6, se puede observar que las tres fuentes a rectificar llegan a un mismo nodo, por lo que cuando el voltaje V1 es el mayor, el diodo D1 conduce y se mantiene este voltaje, ahora bien, si el voltaje V2 se vuelve el de mayor magnitud, D1 deja de conducir y ahora D2 mantiene el valor de voltaje hasta que V3 se vuelva mayor, continuando así de sucesivamente. De esta manera, el voltaje que observaría la carga se ilustra en amarillo en la figura 7.

Se observa que la señal presenta una frecuencia del triple de la que proporciona la fuente, como ya viste en el ejemplo anterior, esto es de gran importancia al obtener los valores de corriente. Este rectificador se conoce como de media onda porque sólo maneja la parte positiva de los voltajes, su funcionamiento puede ser resumido en que cada diodo conduce hasta que otra fuente alcanza un voltaje mayor. Las ecuaciones que indican sus valores de voltaje se muestran a continuación.

Ahora bien, si se cambiaran estos diodos por tiristores y controlaras el ángulo de fase, observarías que mientras no se active el siguiente tiristor, se mantendrá el valor del voltaje proporcionado por el tiristor anterior, este efecto puede ser observado en la figura 8.

Las ecuaciones que indican sus valores de voltaje se muestran a continuación.

Los rectificadores permiten la conversión de voltaje de alterna a directa, algunas de los usos más extensos son en televisores, computadoras, cargadores de celulares, laptops... Mientras que en la industria tienen un amplio uso en motores de corriente directa y otras cargas que se alimentan de un voltaje fijo.

Revisa a continuación el Checkpoint: