Rectificador

En la rectificación de media onda de una fuente de alimentación monofásica, se transmite la mitad positiva o negativa de la onda de CA, mientras que la otra mitad se bloquea. Debido a que solo una mitad de la forma de onda de entrada llega a la salida, la tensión media es menor. La rectificación de media onda requiere un diodo en una fuente de alimentación monofásica o tres en una trifásica . Los rectificadores generan una corriente continua unidireccional pero pulsante; los rectificadores de media onda producen mucha más ondulación que los rectificadores de onda completa, y se necesita un filtrado mucho mayor para eliminar los armónicos de la frecuencia de CA de la salida.

La tensión de salida CC sin carga de un rectificador de media onda ideal para una tensión de entrada sinusoidal es: ^{[ 4 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{\mathrm {rms} }&={\frac {V_{\mathrm {pico} }}{2}}\\[8pt]V_{\mathrm {dc} }&={\frac {V_{\mathrm {pico} }}{\pi }}\end{aligned}}}$

dónde:

Vdc , Vav – _{la tensión de salida de} CC o media,

V _pico , el valor pico de las tensiones de entrada de fase,

V _rms , el valor cuadrático medio (RMS) del voltaje de salida.

Un rectificador de onda completa convierte toda la forma de onda de entrada en una de polaridad constante (positiva o negativa) en su salida. Matemáticamente, esto corresponde a la función de valor absoluto . La rectificación de onda completa convierte ambas polaridades de la forma de onda de entrada en CC pulsante (corriente continua) y produce un voltaje de salida promedio más alto. Se necesitan dos diodos y un transformador con toma central , o cuatro diodos en configuración de puente y cualquier fuente de CA (incluido un transformador sin toma central). ^{[ 5 ]} Los diodos semiconductores simples, los diodos dobles con cátodo común o ánodo común, y los puentes de cuatro o seis diodos se fabrican como componentes individuales.

Para corriente alterna monofásica, si el transformador tiene toma central, dos diodos conectados en serie (cátodo con cátodo o ánodo con ánodo, según la polaridad de salida requerida) pueden formar un rectificador de onda completa. Se requiere el doble de espiras en el secundario del transformador para obtener la misma tensión de salida que con un rectificador de puente, pero la potencia nominal no varía.

Las tensiones de salida promedio y RMS en vacío de un rectificador monofásico de onda completa ideal son:

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }&={\frac {2\cdot V_{\mathrm {pico} }}{\pi }}\\[8pt]V_{\mathrm {rms} }&={\frac {V_{\mathrm {pico} }}{\sqrt {2}}}\end{aligned}}}$

Los tubos de vacío rectificadores de doble diodo, muy comunes, contenían un único cátodo común y dos ánodos dentro de una sola envoltura, logrando una rectificación de onda completa con salida positiva. Los modelos 5U4 y 80/5Y3 (de 4 pines)/(octal) eran ejemplos populares de esta configuración.

Un circuito de punto medio trifásico de media onda no controlado requiere tres diodos, uno conectado a cada fase. Este es el tipo más simple de rectificador trifásico, pero presenta una distorsión armónica relativamente alta tanto en la conexión de CA como en la de CC. Se dice que este tipo de rectificador tiene un número de pulsos de tres, ya que la tensión de salida en el lado de CC contiene tres pulsos distintos por ciclo de la frecuencia de la red.

Los valores máximos${\displaystyle V_{\mathrm {pico} }}$Los valores de esta tensión continua de tres pulsos se calculan a partir del valor RMS.${\displaystyle V_{\mathrm {LN} }}$de la tensión de fase de entrada (tensión de línea a neutro, 120  V en Norteamérica, 240  V en Europa en funcionamiento con la red eléctrica):${\displaystyle V_{\mathrm {pico} }={\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}$. El voltaje de salida promedio sin carga${\displaystyle V_{\mathrm {av} }}$resultados de la integral bajo la gráfica de una semionda positiva con una duración de período de${\displaystyle {\frac {2}{3}}\pi }$(de 30° a 150°):

Si la alimentación de CA se realiza mediante un transformador con toma central, se puede obtener un circuito rectificador con un rendimiento armónico mejorado. Este rectificador requiere seis diodos, uno conectado a cada extremo de cada devanado secundario del transformador . Este circuito tiene un número de pulsos de seis y, en efecto, puede considerarse un circuito de media onda de seis fases.

Antes de que estuvieran disponibles los dispositivos de estado sólido , el circuito de media onda y el circuito de onda completa que utilizaba un transformador con toma central se usaban con mucha frecuencia en rectificadores industriales que utilizaban válvulas de arco de mercurio . ^{[ 6 ]} Esto se debía a que las tres o seis entradas de alimentación de CA podían alimentarse a un número correspondiente de electrodos de ánodo en un solo tanque, que compartían un cátodo común.

Con la llegada de los diodos y los tiristores, estos circuitos se han vuelto menos populares y el circuito puente trifásico se ha convertido en el circuito más común.

Para un rectificador de puente trifásico no controlado , se utilizan seis diodos y el circuito vuelve a tener seis pulsos. Por esta razón, también se le conoce comúnmente como puente de seis pulsos . El circuito B6 puede verse simplificado como una conexión en serie de dos circuitos centrales de tres pulsos.

Para aplicaciones de baja potencia, se fabrican diodos dobles en serie, con el ánodo del primer diodo conectado al cátodo del segundo, como un único componente. Algunos diodos dobles disponibles comercialmente cuentan con los cuatro terminales accesibles, lo que permite al usuario configurarlos para su uso en alimentación monofásica dividida, medio puente rectificador o rectificador trifásico.

Para aplicaciones de alta potencia, se suele utilizar un único dispositivo discreto para cada uno de los seis brazos del puente. Para potencias muy elevadas, cada brazo del puente puede constar de decenas o cientos de dispositivos independientes en paralelo (cuando se requiere una corriente muy alta, por ejemplo, en la fundición de aluminio ) o en serie (cuando se requieren voltajes muy altos, por ejemplo, en la transmisión de corriente continua de alta tensión ).

La tensión continua pulsante resulta de las diferencias entre las tensiones instantáneas de fase positiva y negativa.${\displaystyle V_{\mathrm {LN} }}$, desfasado 30°:

El voltaje de salida promedio ideal sin carga${\displaystyle V_{\mathrm {av} }}$del circuito B6 resulta de la integral bajo la gráfica de un pulso de voltaje CC con una duración de período de${\displaystyle {\frac {1}{3}}\pi }$(de 60° a 120°) con el valor máximo${\displaystyle {\hat {v}}_{\mathrm {DC} }={\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}$:

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }={}&V_{\mathrm {av} }={\frac {1}{{\frac {1}{3}}\pi }}\int _{60^{\circ }}^{120^{\circ }}{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin \varphi \cdot \mathrm {d} \varphi \\[8pt]={}&{\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot \left(-\cos 120^{\circ }+\cos 60^{\circ }\right)\\[8pt]={}&{\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot {\Biggl [}-\left(-{\frac {1}{2}}\right)+{\frac {1}{2}}{\Biggl ]}={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\end{aligned}}}$

${\displaystyle \Longrightarrow V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot {\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{\pi }}\Longrightarrow V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {6}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{\pi }}\approx 2.34V_{\mathrm {LN} }}$

Si el rectificador de puente trifásico funciona simétricamente (con tensión de alimentación positiva y negativa), el punto central del rectificador en el lado de salida (o el llamado potencial de referencia aislado) opuesto al punto central del transformador (o el conductor neutro) presenta una diferencia de potencial en forma de tensión de modo común triangular . Por esta razón, estos dos centros nunca deben conectarse entre sí, ya que de lo contrario circularían corrientes de cortocircuito. La tierra del rectificador de puente trifásico en funcionamiento simétrico queda así desacoplada del conductor neutro o de la tierra de la red eléctrica. Alimentado por un transformador, es posible conectar a tierra el punto central del puente, siempre que el devanado secundario del transformador esté aislado eléctricamente de la red eléctrica y el punto neutro del devanado secundario no esté conectado a tierra. En este caso, sin embargo, circulan corrientes de fuga (despreciables) por los devanados del transformador.

La tensión de modo común se forma a partir de los valores promedio respectivos de las diferencias entre las tensiones de fase positiva y negativa, que forman la tensión continua pulsante. El valor pico de la tensión delta${\displaystyle {\hat {v}}_{\mathrm {common-mode} }}$cantidades ⁠ 1 / 4 ⁠ del valor pico de la tensión de entrada de fase${\displaystyle V_{\mathrm {peak} }}$y se calcula con${\displaystyle V_{\mathrm {peak} }}$menos la mitad del voltaje de CC a 60° del período:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\hat {v}}_{\text{common mode}}={}&V_{\mathrm {peak} }-{\frac {{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin 60^{\circ }}{2}}\\[8pt]={}&V_{\mathrm {peak} }\cdot {\Biggl (}1-{\frac {{\sqrt {3}}\cdot \sin 60^{\circ }}{2}}{\Biggl )}=V_{\mathrm {peak} }\cdot 0.25\end{aligned}}}$

El valor RMS de la tensión de modo común se calcula a partir del factor de forma para oscilaciones triangulares:

${\displaystyle V_{\text{common mode}}={\frac {{\hat {v}}_{\text{common mode}}}{\sqrt {3}}}}$

Si el circuito funciona de forma asimétrica (como una simple fuente de alimentación con un solo polo positivo), tanto el polo positivo como el negativo (o el potencial de referencia aislado) pulsan en dirección opuesta al centro (o a tierra) de la tensión de entrada, de forma análoga a las ondas positivas y negativas de las tensiones de fase. Sin embargo, las diferencias en las tensiones de fase dan como resultado una tensión continua de seis pulsos (durante un periodo). La separación estricta del centro del transformador respecto del polo negativo (de lo contrario, se producirían corrientes de cortocircuito) o la posible conexión a tierra del polo negativo al alimentarlo con un transformador de aislamiento se aplican de forma correspondiente al funcionamiento simétrico.

El rectificador de puente trifásico controlado utiliza tiristores en lugar de diodos. La tensión de salida se reduce por el factor cos(α):

${\displaystyle V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot \cos \alpha }$

O bien, expresado en términos de la tensión de entrada de línea a línea: ^{[ 7 ]}

${\displaystyle V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos \alpha }$

dónde:

V _LLpeak es el valor pico de los voltajes de entrada de línea a línea,

V _pico es el valor pico de las tensiones de entrada de fase (línea a neutro), y

α es el ángulo de disparo del tiristor (0 si se utilizan diodos para realizar la rectificación).

Las ecuaciones anteriores solo son válidas cuando no se extrae corriente de la fuente de alimentación de CA o, en el caso teórico, cuando las conexiones de la fuente de alimentación de CA no presentan inductancia. En la práctica, la inductancia de la fuente de alimentación provoca una reducción de la tensión de salida de CC al aumentar la carga, generalmente entre un 10 % y un 20 % a plena carga.

La inductancia de la fuente de alimentación ralentiza el proceso de transferencia (denominado conmutación) entre fases. Como resultado, en cada transición entre un par de dispositivos, se produce un periodo de solapamiento durante el cual tres dispositivos del puente conducen simultáneamente (en lugar de dos). El ángulo de solapamiento se suele representar con el símbolo μ (o u) y puede ser de 20  a 30° a plena carga.

Teniendo en cuenta la inductancia de alimentación, la tensión de salida del rectificador se reduce a

${\displaystyle V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos(\alpha +\mu ).}$

El ángulo de solapamiento μ está directamente relacionado con la corriente continua, y la ecuación anterior puede reescribirse como

${\displaystyle V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos(\alpha )-6fL_{\mathrm {c} }I_{\mathrm {d} }}$

dónde:

L _c es la inductancia de conmutación por fase, y

I _d es la corriente continua.

Aunque superiores a los rectificadores monofásicos o trifásicos de media onda, los circuitos rectificadores de seis pulsos siguen generando una considerable distorsión armónica tanto en la conexión de CA como en la de CC. Para rectificadores de muy alta potencia, se suele utilizar la conexión en puente de doce pulsos. Un puente de doce pulsos consta de dos circuitos de puente de seis pulsos conectados en serie, cuyas conexiones de CA se alimentan desde un transformador que produce un desfase de 30° entre ambos puentes. Esto elimina gran parte de los armónicos característicos que generan los puentes de seis pulsos.

El desfase de 30 grados se suele conseguir utilizando un transformador con dos conjuntos de devanados secundarios, uno conectado en estrella (o en Y) y otro en triángulo (o en Y).

Para convertir la corriente alterna en corriente continua en locomotoras eléctricas , se puede utilizar un rectificador síncrono. Este consta de un motor síncrono que acciona un conjunto de contactos eléctricos de alta resistencia. El motor gira al ritmo de la frecuencia de la corriente alterna e invierte periódicamente la conexión a la carga en el instante en que la corriente sinusoidal cruza por cero. Los contactos no necesitan conmutar una corriente elevada, pero sí deben ser capaces de soportar una corriente considerable para alimentar los motores de tracción de corriente continua de la locomotora .

Estos dispositivos consistían en una lengüeta resonante , vibrada por un campo magnético alterno creado por un electroimán de CA , con contactos que invertían la dirección de la corriente en los semiciclos negativos. Se utilizaban en dispositivos de baja potencia, como cargadores de baterías , para rectificar el bajo voltaje producido por un transformador reductor. Otro uso era en fuentes de alimentación de baterías para radios portátiles de válvulas, para proporcionar el alto voltaje de CC a las válvulas. Estos funcionaban como una versión mecánica de los modernos inversores de conmutación de estado sólido , con un transformador para elevar el voltaje de la batería y un conjunto de contactos vibradores en el núcleo del transformador, accionados por su campo magnético , para interrumpir repetidamente la corriente continua de la batería y crear una corriente alterna pulsante que alimentara el transformador. Luego, un segundo conjunto de contactos rectificadores en el vibrador rectificaba el alto voltaje de CA del secundario del transformador a CC.

Un grupo motor-generador , o un convertidor rotativo similar , no es estrictamente un rectificador, ya que no rectifica la corriente, sino que genera corriente continua (CC) a partir de una fuente de corriente alterna (CA). En un grupo M-G, el eje de un motor de CA está acoplado mecánicamente al de un generador de CC . El generador de CC produce corrientes alternas multifásicas en sus devanados de armadura , que un conmutador en el eje de la armadura convierte en una salida de corriente continua; o bien, un generador homopolar produce corriente continua sin necesidad de conmutador. Los grupos M-G son útiles para generar CC para motores de tracción ferroviaria, motores industriales y otras aplicaciones de alta corriente, y eran comunes en muchos usos de CC de alta potencia (por ejemplo, proyectores de lámparas de arco de carbono para teatros al aire libre) antes de que los semiconductores de alta potencia estuvieran ampliamente disponibles.

Tubo rectificador de vapor de mercurio industrial trifásico antiguo

Una válvula de arco de mercurio de 150  kV en la central hidroeléctrica de Manitoba Hydro , en Radisson, Canadá, convertía la energía hidroeléctrica de corriente alterna (CA ) en corriente continua (CC) para su transmisión a ciudades distantes.

Un rectificador utilizado en sistemas de transmisión de energía de corriente continua de alta tensión (HVDC) y en procesos industriales entre 1909 y 1975 aproximadamente es un rectificador de arco de mercurio o una válvula de arco de mercurio . El dispositivo está encerrado en un recipiente de vidrio bulboso o una gran tina metálica. Un electrodo, el cátodo , está sumergido en un depósito de mercurio líquido en el fondo del recipiente, y uno o más electrodos de grafito de alta pureza, llamados ánodos , están suspendidos sobre el depósito. Puede haber varios electrodos auxiliares para ayudar a iniciar y mantener el arco. Cuando se establece un arco eléctrico entre el depósito del cátodo y los ánodos suspendidos, un flujo de electrones va del cátodo a los ánodos a través del mercurio ionizado, pero no en sentido contrario (en principio, este es un equivalente de mayor potencia a la rectificación de llama , que utiliza las mismas propiedades de transmisión de corriente unidireccional del plasma presente naturalmente en una llama).

Estos dispositivos pueden utilizarse a niveles de potencia de cientos de kilovatios y pueden diseñarse para manejar de una a seis fases de corriente alterna. Los rectificadores de arco de mercurio fueron reemplazados por rectificadores de semiconductores de silicio y circuitos de tiristores de alta potencia a mediados de la década de 1970. Los rectificadores de arco de mercurio más potentes jamás construidos se instalaron en el proyecto HVDC bipolar del río Nelson de Manitoba Hydro , con una potencia combinada de más de 1 GW y 450 kV. ^{[ 20 ] [ 21 ]}  

El rectificador Tungar de General Electric era un dispositivo de tubo electrónico relleno de gas de vapor de mercurio (ej.: 5B24) o argón (ej.: 328), con un cátodo de filamento de tungsteno y un ánodo de botón de carbono. Su funcionamiento era similar al del diodo de tubo de vacío termoiónico, pero el gas en el tubo se ionizaba durante la conducción directa, lo que le proporcionaba una caída de tensión directa mucho menor, permitiéndole rectificar voltajes más bajos. Se utilizó en cargadores de baterías y aplicaciones similares desde la década de 1920 hasta que los rectificadores metálicos de menor costo , y posteriormente los diodos semiconductores, lo reemplazaron. Estos últimos se fabricaban con una tensión nominal de hasta unos pocos cientos de voltios y unos pocos amperios, y en algunos tamaños se parecían mucho a una lámpara incandescente con un electrodo adicional.

La 0Z4 era una válvula rectificadora de gas comúnmente utilizada en radios de coche de válvulas en las décadas de 1940 y 1950. Era una válvula rectificadora de onda completa convencional con dos ánodos y un cátodo, pero se distinguía por no tener filamento (de ahí el "0" en su número de modelo). Los electrodos tenían una forma tal que la tensión de ruptura inversa era mucho mayor que la tensión de ruptura directa. Una vez superada la tensión de ruptura, la 0Z4 conmutaba a un estado de baja resistencia con una caída de tensión directa de aproximadamente 24  V.

El detector de cristal , el primer tipo de diodo semiconductor , se utilizó en algunos de los primeros receptores de radio , llamados radios de cristal , para rectificar la onda portadora y extraer la modulación que producía el sonido en los auriculares. Inventado por Jagadish Chandra Bose y GW Pickard alrededor de 1902, representó una mejora significativa con respecto a detectores anteriores como el cohesor . Un tipo popular de detector de cristal, a menudo llamado detector de bigotes de gato , consiste en un cristal de algún mineral semiconductor , generalmente galena (sulfuro de plomo), con un alambre ligero y elástico en contacto con su superficie. Su fragilidad y capacidad de corriente limitada lo hacían inadecuado para aplicaciones de alimentación eléctrica. Se utilizó ampliamente en radios hasta la década de 1920, cuando fue reemplazado por tubos de vacío . En la década de 1930, los investigadores miniaturizaron y mejoraron el detector de cristal para su uso en frecuencias de microondas, desarrollando los primeros diodos semiconductores.

Estas unidades, comunes hasta que fueron reemplazadas en la década de 1970 por rectificadores de estado sólido de silicio más compactos y económicos, utilizaban pilas de placas metálicas recubiertas de óxido y aprovechaban las propiedades semiconductoras del óxido de selenio o de cobre. ^{[ 22 ]} Si bien los rectificadores de selenio eran más ligeros y consumían menos energía que los rectificadores de tubo de vacío comparables, presentaban la desventaja de una vida útil limitada, una resistencia que aumentaba con el tiempo y solo eran adecuados para su uso a bajas frecuencias. Tanto los rectificadores de selenio como los de óxido de cobre tienen una tolerancia algo mejor a los transitorios de voltaje momentáneos que los rectificadores de silicio.

Por lo general, estos rectificadores estaban formados por pilas de placas o arandelas metálicas, unidas por un perno central, y el número de pilas dependía del voltaje; cada celda tenía una tensión nominal de aproximadamente 20 V. Un rectificador para cargador de baterías de automóviles podía tener una sola celda; la fuente de alimentación de alto voltaje para un tubo de vacío podía tener docenas de placas apiladas. La densidad de corriente en una pila de selenio refrigerada por aire era de aproximadamente 600 mA por pulgada cuadrada de área activa (unos 90 mA por centímetro cuadrado).

Los diodos de silicio son los rectificadores más utilizados para voltajes y potencias bajas, y han reemplazado en gran medida a otros rectificadores. Debido a su voltaje directo considerablemente menor (0,3 V frente a 0,7 V para los diodos de silicio), los diodos de germanio presentan una ventaja inherente sobre los diodos de silicio en circuitos de bajo voltaje.

En aplicaciones de alta potencia, entre 1975 y 2000, la mayoría de los rectificadores de arco con válvulas de mercurio fueron reemplazados por conjuntos de tiristores de muy alta potencia , dispositivos de silicio con dos capas adicionales de semiconductor, en comparación con un simple diodo.

En aplicaciones de transmisión de potencia media, sistemas rectificadores de semiconductores de silicio con convertidor de fuente de voltaje (VSC) aún más complejos y sofisticados, como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y los tiristores de desconexión de puerta (GTO) , han hecho que los sistemas de transmisión de potencia de CC de alto voltaje más pequeños sean más económicos. Todos estos dispositivos funcionan como rectificadores.

A partir de 2009Se esperaba que estos interruptores de silicio de alta potencia con autoconmutación, en particular los IGBT y un tiristor variante (relacionado con el GTO) llamado tiristor conmutado por puerta integrado (IGCT), aumentaran su potencia nominal hasta el punto de que eventualmente reemplazarían los sistemas de rectificación de CA simples basados ​​en tiristores para las aplicaciones de CC de transmisión de potencia más altas. ^{[ 23 ]}

La rectificación activa es una técnica para mejorar la eficiencia de la rectificación mediante la sustitución de diodos por interruptores controlados activamente, como transistores , generalmente MOSFET de potencia o BJT de potencia . ^{[ 24 ]} Mientras que los diodos semiconductores normales tienen una caída de voltaje aproximadamente fija de alrededor de 0,5 a 1 voltio, los rectificadores activos se comportan como resistencias y pueden tener una caída de voltaje arbitrariamente baja.

Históricamente, los interruptores accionados por vibrador o los conmutadores accionados por motor también se han utilizado para rectificadores mecánicos y rectificación síncrona. ^{[ 25 ]}

La rectificación activa tiene numerosas aplicaciones. Se utiliza con frecuencia en conjuntos de paneles fotovoltaicos para evitar el flujo de corriente inversa que puede provocar sobrecalentamiento en zonas de sombreado parcial, minimizando al mismo tiempo la pérdida de potencia.