Convertidores CA/CC - Rectificadores CA/CC - Rectificadores v O i O R L D 1 +-D 2 v D1 v D2 +-v S =V...

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  • Convertidores CA/CC - Rectificadores

    Captulo 3

    Convertidores CA/CC - Rectificadores

    3.1 Introduccin

    Este apartado se inicia con una revisin de algunos conceptos bsicos de los rectificadores. La distribucin de energa elctrica se hace, esencialmente, en corriente alterna, debido, principalmente, a la facilidad de adaptacin del nivel de tensin por medio de transformadores.

    Sin embargo, en muchas aplicaciones, la carga alimentada requiere una tensin continua. La conversin CA/CC es realizada por convertidores estticos de energa, comnmente denominados rectificadores. Por tanto, un rectificador es un sistema electrnico de potencia cuya funcin es convertir una tensin alterna en una tensin continua.

    En una primera clasificacin, podemos diferenciar los rectificadores de acuerdo con el nmero de fases de la tensin alterna de entrada (monofsico, bifsico, trifsico, hexafsico, etc.). Dentro de estos, podemos diferenciar los rectificadores en funcin del tipo de conexin de los elementos (media onda y de onda completa). Otra posible clasificacin es segn su capacidad de ajustar el valor de la tensin de salida, ello depende de si se emplean diodos o tiristores. Los rectificadores no controlados son aquellos que utilizan diodos como elementos de rectificacin, en cuanto que los controlados utilizan tiristores o transistores.

    3.2 Rectificadores no controlados

    A la hora de llevar a cabo la rectificacin, se han de utilizar elementos electrnicos que permitan el paso de la corriente en un sentido, permaneciendo bloqueado cuando se le aplique una tensin de polaridad inapropiada. Para ello, en los rectificadores no controlados, como ya se ha comentado, el componente ms adecuado y utilizado es el diodo semiconductor.

    Como se coment en el captulo dedicado a los dispositivos de electrnica de potencia, el diodo es un dispositivo semiconductor de dos terminales, nodo y ctodo, que dejar pasar la corriente cuando el nodo sea positivo respecto al ctodo, y no conducir cuando la tensin

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    aplicada a sus extremos sea la contraria. Ello conlleva a que el diodo sea un componente adecuado para ser utilizado, solo o con otros diodos, como rectificador.

    En estado de bloqueo, la corriente que circula por un diodo recibe el nombre de corriente de fugas y es prcticamente nula.

    Tambin se ha de tener en cuenta, adems de la tensin directa (en conduccin) VF, la tensin inversa que soporta el diodo VR.

    3.2.1 Rectificador monofsico de media onda

    Es el rectificador ms sencillo que existe, y en consecuencia el ms barato. Simplemente es necesario un diodo entre la alimentacin de alterna y la carga, tal y como se muestra en la figura 3.2. Podra existir un transformador si se desea aislamiento galvnico entre la red elctrica y la carga. Este circuito slo rectifica la mitad de la tensin de entrada; o sea, cuando el nodo es positivo con respecto al ctodo. Podemos considerarlo como un circuito en el que la unidad rectificadora est en serie con la tensin de entrada y la carga. Si modelamos la carga por una resistencia, el anlisis es muy sencillo. El diodo conducir si la tensin de entrada Vs es positiva. En ese caso, la tensin que ver la carga ( OV ), ser aproximadamente

    la tensin de entrada, siempre y cuando despreciemos la cada de tensin del diodo en estado de conduccin. Si la tensin de entrada es negativa, el diodo no puede conducir dado que ve una tensin nodo ctodo negativa. La carga ve una tensin nula entre sus bornes, dado que no hay circulacin de corriente.

    vO

    iO

    RL

    D

    A KvD

    vS =Vmax sen (t)

    +

    -

    Figura 3.2. Rectificador monofsico de media onda (medio puente) con carga resistiva

    La figura 3.3 muestra las formas de onda con carga resistiva para un rectificador monofsico con topologa de media onda, tambin denominado de medio puente. El funcionamiento consiste en tomar de la red una seal sinusoidal de valor medio nulo, y proporcionar a la carga, gracias al diodo, una forma de onda unidireccional, pero no constante como se puede apreciar en la figura 3.3. El nombre de rectificador proviene del hecho de que se rectifica la onda y queda la salida siempre positiva o nula. Ntese que se rectifica simplemente media onda de la senoide completa, de ah el nombre de rectificador de media onda. Obsrvese tambin que no se tiene control externo sobre el semiconductor de potencia, de ah el nombre de rectificador no controlado.

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    2 3 .t 0

    vO

    2 3 .t 0

    vS Vmax

    vS =Vmax sen (t)

    Vmax

    D ON D OFF D ON D OFF

    Figura 3.3. Formas de onda (carga resistiva) del rectificador monofsico no controlado, media onda.

    Segn sea la amplitud de la tensin de alimentacin, tendremos un determinado nivel de tensin continua a la salida.

    tsenVvO max= t0

    0=Ov 2 t

    Tensin media en la carga: Este valor nos determina la componente continua de la tensin en la carga. Lo obtenemos calculando el promedio del voltaje de salida del rectificador:

    ( ) maxmax0 0 max 318,0td 21 1 V

    VtsenVdttv

    TV

    T

    SdcO ====

    Obsrvese que tendremos una componente continua del orden del 30% del valor de pico. Tensin eficaz en la carga:

    ( )22

    1 max20 max

    VtdttdsenVV rmsO ==

    Con carga resistiva las formas de onda de tensin y de corriente en la salida del rectificador y en la carga son las mismas, como se muestra en la figura 3.3. La corriente de entrada presenta la misma forma y fase que la tensin de salida. Valor medio de la corriente en la carga:

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    maxII dcO =

    Valor eficaz de la corriente en la carga:

    2maxII rmsO =

    Sabiendo que:

    LRV

    I maxmax =

    Los valores de IOdc e Imax debern tenerse en cuenta a la hora de elegir un diodo semiconductor para el rectificador. Potencia media en la carga:

    ( ) ( )LL

    dcdcO R

    VR

    VP

    2max

    2 318,0==

    Potencia eficaz en la carga:

    ( ) ( )LL

    rmsOacO R

    VR

    VP

    2max

    2 5,0 ==

    Rendimiento:

    ( )

    ( )( )( )

    %)4,40(404,025,0

    101,05,0

    318,02

    max

    2max

    2

    2

    ==

    ===

    VV

    RV

    RV

    PP

    L

    Orms

    L

    Odc

    acO

    dcO

    3.2.2 Rectificador con transformador de toma media

    En este caso, para rectificar la onda completa, se utilizan 2 diodos, en una configuracin denominada rectificador con transformador en toma media. Las figuras 3.4 y 3.5 muestran el circuito y las formas de onda, respectivamente.

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    vO iO

    RL

    D1

    +

    -D2

    vD1

    vD2

    +

    -vS =Vmax sen (t)

    Figura 3.4. Rectificador monofsico con transformador de toma media y carga resistiva

    t

    t 2

    D1 D1 D2 D2

    vS

    Vmax

    iO

    Imax

    vS1 = Vmax sen.t vS2 = Vmax sen.t

    VOdc/RL

    Figura 3.5. Formas de onda del rectificador monofsico no controlado, onda completa

    El transformador con toma media ser el encargado de proporcionarnos dos tensiones (vS1 y vS2), de igual magnitud y con un desfase entre ellas de 180.

    Tensin media en la carga:

    [ ] maxmax020max

    max 636,02cos 2 VVtVtdtsenV

    TV

    T

    dcO ====

    Tensin eficaz en la carga:

    ( ) maxmax202

    max 707,022 VVtdtsenVT

    VT

    rmsO ===

    Corriente en los diodos:

    ( ) ( ) max

    21

    III DOdcDdcO ==

    ( ) ( ) 22max

    21

    III DrmsODrmsO ==

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    Potencia aparente en el secundario (S):

    ( ) ( )L

    SS RV

    VIVS2

    707,022 maxmax ==

    Potencia media en la carga:

    ( )L

    dcO RV

    P2

    max636,0=

    Potencia eficaz en la carga:

    ( )

    LacO R

    VP

    2max707,0=

    Rendimiento:

    ( )

    ( )( )%8181,0

    707,0

    636,0

    2max

    2max

    ==

    L

    L

    RV

    RV

    Despus de este anlisis hemos podido observar que el rendimiento de este tipo de transformador es el doble del monofsico de media onda, lo cual, unido a la duplicacin de la intensidad media, y a la notable reduccin del rizado, implica una clara mejora.

    Cabe destacar que si consideramos que el rectificador est conectado a la red elctrica domstica de 50 perodos, la tensin de salida del rectificador en onda completa presenta un rizado de 100Hz, frente a los 50Hz que aparecen en un rectificador de media onda. En electrnica de potencia, estos rectificadores se suelen utilizar frecuentemente en etapas donde la frecuencia de entrada es elevada, puesto que en ste caso se consigue reducir el tamao del transformador.

    Si hubiera que destacar un inconveniente en la topologa del rectificador con transformador en toma media, ste sera el hecho de que los diodos deben soportar una tensin inversa doble al que soportaban para el rectificador de media onda.

    3.2.3 Rectificador en puente

    En este caso, para rectificar la onda completa, se utilizan 4 diodos, en una configuracin denominada puente completo o puente de Graetz. Recibe el nombre de puente rectificador, por estar formado por cuatro diodos conectados en puente y su principal ventaja respecto al rectificador de onda completa con toma media es que no necesita transformador.

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