Rectificador De Media Onda


Tambien llamado monofásico, es el mas simple y económico, solo necesitamos un transformador, un diodo y la carga a alimentar. Este circuito solo rectifica la mitad de la tensión de entrada, o sea cuando el semiciclo positivo de la señal alterna se aplique al ánodo del diodo este conducirá, alimentando la carga durante este semiciclo, pero cuando el semiciclo sea negativo sobre el ánodo del diodo, este quedará bloqueado, no circulando corriente hacia la carga.

Como vemos rectificamos una onda sinusoidal de valor medio nulo, y proporcionamos a una carga resistiva una onda unidireccional pulsante (no constante). La salida siempre sera positiva o nula y segun la tension que entrega el transformador tendremos un determinado nivel de tension continua. Si medimos la tension sobre RL, nos indicara un valor medio de tension (Vm), Sabemos cual es el valor medio de una onda sinusoidal (ver corriente alterna), pero en este caso, cada medio ciclo la tensión es cero y teniendo en cuenta la caída de tensión en el diodo Vd (aprox 0,7v) tendremos:

Vdc será el valor medio de la tensión en la carga (medible con un multímetro).  La frecuencia de esta tensión pulsante sera la misma que la frecuencia fundamental de la tension Vs, la cual será la frecuencia de linea (50 o 60Hz). La tensión eficaz (Vef) en la carga, para un rectificador de media onda con carga resistiva será:

Como la carga es resistiva (RL) la tensión de salida y la corriente de entrada estan en fase, por lo tanto la corriente media (Idc), medible con un multimetro, la corriente máxima (Imax) y la corriente eficaz (Ief) serán:

Este valor de corriente (Imax) se debera tener en cuenta en la eleccion del diodo. Otro parámetro es la tensión de pico inversa que debe soportar el diodo cuando no conduce. En este caso, con carga resistiva puede verse que el máximo de tensión aplicada al diodo en inverso Vpi, es igual a la Vmax del transformador:

Vpi = Vmax

Para el cálculo de la potencia (Pdc) (potencia media) y la potencia eficaz (Pef) en la carga RL tendremos:

Rendimiento
El rendimiento del rectificador de media onda sera la relacion entre estas potencias, por lo tanto:

Como se ve el rendimiento (expresado en porcentaje) es muy pobre, podemos decir entonces que de un rectificador de media onda obtenemos una tension continua pulsante, no constante, con una frecuencia igual a la frecuencia de linea y solo aprovechamos el 40,4% de la potencia entregada por el transformador.

Factor de Forma
El factor de forma (Ff)  nos indica la calidad de la tension continua obtenida y se define como la relación entre el valor eficaz (Vef) y el valor medio (Vdc) de la tensión pulsante. Lo ideal seria un factor de forma; Ff = 1 lo que nos  indicaría una tensión continua sin ondulación. Pero el factor de forma Ff para un rectificador de media onda con carga resistiva es:

Factor de Rizado
Este factor nos indica el grado de pureza de la  tensión continua obtenida del rectificador. Como rectificamos una señal sinusoidal, es inevitable la presencia de componentes armónicos que se superponen a la tensión continua obtenida, la suma de estos armónicos se llama rizado (ripple).  El factor de rizado nos muestra cuanta componente alterna tiene la continua pulsante. Se calcula como la relación entre la tensión eficaz de rizado (Vr) la cual es el conjunto de todas las componentes alternas, y la tensión media de salida Vdc. Cuanto mas bajo sea el factor de rizado mas pura será la tensión continua, una tensión continua ideal, no tiene rizado, su factor de rizado es cero. La tensión de rizado Vr viene determinada por el efecto de todos los armónicos, pero muchos de ellos pueden despreciarse debido a su baja amplitud. Luego de un cálculo muy complejo se puede determinar que:

Como vemos el contenido del paréntesis es el factor de forma por lo tanto podemos definir el factor de rizado en función de este último, obteniendo:

Com puede verse que el factor de rizado es función de la forma de onda, si la continua fuese pura, el rizado seria Vr=0, y vdc=Vef, por lo tanto Fr=0 y Ff=1.

Filtro de Condensador
Para corregir el bajo rendimiento y regulacion de este tipo de rectificador, se suele emplear un condensador conectador en paralelo con la carga. Aprovechando sus caracteristicas para almacenar energía, mientras el diodo conduce, el capacitor (C) se carga, y luego cuando el diodo no conduce, el condensador libera esta enegía sobre la carga (RL).

Nótese que ahora durante el semiciclo negativo (D-off) tenemos la tensión del condensador sobre RL, por lo tanto ahora la tensión de pico inversa Vpi, que deberá soprtar el diodo cuando no conduce es el doble de la Vmax del transformador (Vmax=Vef  x 1,41). Entonces:

Vpi = 2Vmax

Con el agregado del condensador, este actua como una fuente de energia (mientras el diodo se bloquea con los semiciclos negativos) entregando su carga a RL, por lo tanto como el capacitor se carga hasta un valor de Vmax-Vd , la tension de salida Vdc ahora será:

Vdc = Vmax – Vd

Cuando se conecta al circuito, C se carga de cero a Vmax-Vd, mientras el diodo conduce (D-on), luego de que Vs llega a Vmax el diodo se corta (D-Off) y C comienza a descargarse a través de RL. El condensador cuya tensión es Vmax-Vd, se descarga sobre RL hasta igualar el valor de tension de RL, que es Vo ((0,318 x (Vmax-Vd)). Entonces el diodo D vuelve a conducir (D-on) con lo que vuelve a cargar a C hasta Vmax-Vd y se repite el proceso. Como se ve, el diodo D está menos tiempo en on que antes y C se carga mas rápido, por lo tanto requiere mucha energía en corto tiempo, provocando picos de alta corriente.

Para tener una idea de los valores que alcanza la corriente por el diodo podemos decir que la corriente por el diodo (Id) está formada por la corriente IRL , que es la corriente por la carga RL, mas la corriente Ic, que es la corriente por el condensador C. Como vemos en la figura la corriente Ic tiene una parte positiva (carga del C) y una negativa (descarga del C) por lo tanto la corriente media es casi cero, no llegando a serlo debido a las corrientes de fuga del condensador.

A modo teórico, haciendo despreciable la caida en el diodo a efectos de simplificar el cálculo, podemos decir que Vdc=Vmax, entonces siendo Vs=Vmax(senwt);

Como vemos, para los momentos en que sen(wt)=0, coseno(wt)=1, (ver tablas trigonometricas) la corriente del diodo sera el producto de Vmax x C x w, siendo w=2 x pi x f  y f  es la frecuencia de linea. Nótese que la corriente del diodo sera directamente proporcional al valor de C, cosa logica si se tiene en cuenta que la reactancia capacitiva XC (ver condensadores) disminuye con el aumento de C, de esta manera la corriente por el diodo puede poner en riesgo su vida útil. Por eso debe tenerse en cuenta la correcta eleccion del capacitor de filtrado, el cual debe ser grande en capacidad (varios cientos de uf) porque de esta manera se asegura una descarga mas lenta y una recarga mas rápida, pero tendremos en cuenta las corrientes de pico para la eleccion del diodo.

En condiciones normales, los picos repetitivos no son iguales, el primero en el inicio de la carga del condensador es el de mayor valor de corriente. Como vimos el valor de corriente que alcance este pico dependerá del momento de conexión a la red. Todos los demás serán menores hasta alcanzar un valor que dependera del condensador C.

Este parámetro se indica por el fabricante como IFSM , (Maximum Peak One Cycle Non Repetitive Surge Current) máximo pico no repetitivo de corriente directa, y por ejemplo un diodo popular como el 1N4007,  tiene Id=1A, Vpi= 1000v y Ifsm=30A.

Voltaje de Rizado

Como vimos, el rizado (Vriz) es una componente de alterna residual, con una frecuencia igual a la frecuencia de linea, que se superpone a la continua de salida. Tenganse en cuenta que cuanto menor sea el rizado, mayor será el valor de C, el valor de rizado está dado por la formula:

Vriz = tension rizado pico a pico.
I = Corriente continua (Idc) por la Carga.
f = Frecuencia en herz, para media onda f=frecuencia de linea.
C = Valor del capacitor en Faradios

Téngase en cuenta que el valor de rizado Vriz es un valor pico a pico, su valor eficaz sera Vpp/2,82, luego para medir este valor se debe usar un osciloscopio, pero en caso de tener que usar un multímetro de alterna, tendrá un error importante no mayor al 25%, porque el multímetro esta diseñado para medir valores eficaces de ondas sinusoidales, y el rizado no es sinusoidal. Teniendo en cuenta el rizado Vriz, podemos decir que:

Vmax = Vdc + Vriz/2 + Vd

Siendo Vmax la tension maxima del secundario del transformador  (valor de pico). Para calcular el capacitor podemos usar el rizado r, el cual relaciona el valor eficaz (Vef )y la tension de salida (Vdc), usando estas fórmulas y relacionándolas tendremos:

Podemos calcular la corriente de pico maxima del diodo Ip teniendo en cuenta la máxima tensión aplicada es:

Vmax = Vdc + Vriz/2 + Vd

podemos aplicar la formula:

Filtros RC

Durante un tiempo se usaron filtros pasivos (R, L y C) entre el condensador de filtro C y la carga RL. En la práctica se fija un valor de tension de rizado pico a pico del orden del 10% de la tension de salida. Por lo tanto el capacitor C no es demasiado grande. Luego mediante secciones RC (filtros pasivos) se filtrara este rizado. R debe ser mucho mayor que XC (reactancia capacitiva) a la frecuencia del rizado, normalmente se empleaba R 10 veces mayor que XC, de esta manera se asegura una atenuacion del rizado en un factor de 10 por cada sección agregada. El problema de este filtro es obviamente la atenuación de la tensión de salida por la caída de tensión en las resistencias. Por lo tanto este filtrado solo es efectivo para pequeñas corrientes.

Filtros LC

Para corrientes mayores es mas efectivo el filtro LC, el concepto es el mismo, tratar de reducir el rizado en varias etapas antes de la carga RL. En este caso XL (reactancia inductiva)debe ser mucho mayor que XC a la frecuencia del rizado. De esta manera, el rizado se reduce a niveles casi nulos, además la caída de tensión continua en las bobinas es mucho menor que en el filtro RC porque la resistencia de la bobina es menor. Este tipo de filtrado se ha dejado de usar por un tema de costo, tamaño y peso. El problema surgue que la frecuencia de entrada es muy baja (50 o 60Hz) por lo tanto la inductancia es elevada, las bobinas resultan grandes las cuales agregan resistencia en sus arrollamientos y como consecuencia trae problemas de diseño cuando se requieren corrientes elevadas por la caida de tension continua en la resistencia de la bobina de choque.

Este tipo de filtrado se usa hoy dia en fuentes conmutadas donde la frecuencia de trabajo es del orden de los 20Khz o más, de esta manera se diseñan filtros pequeños, livianos y muy eficientes.

Por todo lo expuesto, vimos que el rectificador de media onda queda casi descartado como rectificador para fuentes de alimentacion por su mala performance, sobre todo para cargas grandes. Pero su estudio es necesario para comprender su funcionamiento teorico. Hoy dia la mayoria de las fuentes de alimentación son mas elaboradas y eficientes, y salvo alguna aplicacion específica todas utilizan  rectificadores de onda completa.


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