Rectificación de media onda no controlada con carga resistiva

La principal función de un rectificador es convertir corriente alterna en corriente continua, es decir, convertir una señal alterna cuyo valor medio es nulo, en una señal continua con valor medio no nulo. El rectificador de media onda lo podemos encontrar en la práctica realizando funciones de baja potencia. Se puede afirmar que actualmente el uso de este tipo de circuitos es un poco limitado pero su estudio y comprensión ofrece al estudiante una base de comprensión de circuitos electrónicos, que le facilitará la comprensión de otros circuitos más complejos.

A la hora de llevar a cabo la rectificación, se han de utilizar elementos electrónicos que permitan el paso de la corriente en un solo sentido, permaneciendo bloqueado cuando se le aplique una tensión de polaridad inapropiada. Para ello, el componente más adecuado y utilizado es el diodo semiconductor. Este dispositivo es el fundamento de los rectificadores no controlados.

Objetivos

Este proyecto de aprendizaje ofrece:

1.- Analizar el funcionamiento de un rectificador de media onda.

2.- Medir las tensiones de entrada y salida de un rectificador de media onda.

3.- Comparar las formas de onda a la entrada y salida del circuito rectificador.

4.- Distinguir entre los valores RMS, el valor pico y el valor promedio de la señal dada.

5.- Adquirir soltura en interpretación de circuitos electrónicos.

6.- Conocer el funcionamiento de los componentes electrónicos básicos.

Rectificación de media onda no controlada con carga resistiva

Lecciones

Figura 1 Circuito rectificador de media onda monofásico con carga resistiva

En el circuito que aparece en la figura aparecen tres componentes fundamentales que nos permitirán transformar la tensión alterna inicial de la carga por una tensión con una componente continua no nula. Esto componentes son: Generador de alterna, diodo y carga puramente resistiva. (Figura 1)

-Generador de alterna: Proporciona una señal alterna y periódica, con una forma sinusoidal que provocará que el valor medio sea nulo (esta señal es simétrica con respecto al valor 0, es decir, su valor medio es estrictamente 0). (Figura 2)

figura 2 Señal de Fuente sinusoidal.

-Diodo: El diodo es un interruptor electrónico básico que solo permite el paso de la corriente en un sentido, este sentido es de ánodo (A) a cátodo (K), para que el diodo entre en conducción necesitará estar polarizado de manera directa, entendemos por polarizado de manera directa que este tenga un voltaje ánodo-cátodo mayor de cero. Una vez sabido esto, podemos deducir que en el semiciclo positivo de nuestro generador de alterna el voltaje ánodo-cátodo será mayor que cero (el diodo conducirá), y en el semiciclo negativo de nuestro generador el voltaje ánodo-cátodo será negativo (el diodo no conducirá). En el análisis de este circuito consideramos que la caída de tensión en el diodo polarizado de manera directa es cero, aunque debemos conocer que en la realidad esto no es cierto y se produce una pérdida de voltaje en bornes del diodo. En la figura 3 se muestra el voltaje en la carga:

figura Gráfica de conducción del Diodo .

-Carga puramente resistiva: Una carga puramente resistiva es una resistencia, esta es una carga cuyo consumo de potencia es solo de potencia activa, en este circuito desempeñará función de receptor, es decir, de consumidor de energía.

Una vez explicados los componentes y principios fundamentales de este tipo de rectificación, se describe el proceso de rectificación:

Debemos tener claro que el generador proporciona una tensión alterna y periódica, de forma que en el primer semiciclo la tensión es positiva y en el segundo es negativa. Es decir la mitad de un periodo la fuente proporcionará tensión positiva y la otra mitad negativa, teniendo claro que el diodo en el caso de que la fuente proporcione tensión positiva estará polarizado en directa (el diodo permite el paso de la corriente de A a K) y en el caso de la tensión negativa estará en corte (el diodo no permite el paso de la corriente), podemos afirmar pues que la tensión en la carga (resistencia pura) durante la mitad del periodo tendrá una tensión distinta de cero y en la otra mitad del periodo tendrá una tensión igual a cero. De esta manera el valor medio de la tensión en la carga ya no es cero, es distinto de cero porque la gráfica de la tensión en la carga no es simétrica respecto al de abcisas. También se observa que cuando el diodo conduce su voltaje es 0 (en condiciones ideales), y cuando está en corte posee un voltaje menor de cero. A continuación se muestra la gráfica del voltaje en el generador, el la carga y en el diodo respectivamente:

Definiciones

-Tensión media en la carga: Es un valor que determina la componente de continua que posee la tensión en la carga, se calcula:

$V_{dc}={\frac {1}{T}}\int _{0}^{\frac {T}{2}}V_{S}(t)dt={\frac {1}{2\pi }}\int _{0}^{\pi }V_{max}Sen\omega t\;d\omega t={\frac {V_{max}}{\pi }}=0,318V_{max}$

-Tensión eficaz en la carga: Es la media cuadrática de los valores instantáneos durante un periodo completo, se calcula:

$V_{rms}={\sqrt {{\frac {1}{2\pi }}\int _{0}^{\pi }(V_{max}Sen\omega td\omega t)^{2}d\omega t}}={\frac {V_{max}}{2}}$

-Regulación: Mediante este parámetro se cuantifica la variación de la tensión continua de salida en función de la corriente continua en la carga, esto es debido a una pequeña resistencia que presenta el devanado secundario y el diodo, es aconsejable que este porcentaje sea lo más pequeño posible, se calcula:

$r(\%)={\frac {V_{dc(envac{\acute {i}}o)}-V_{dc(aplenacarga)}}{V_{dc(aplenacarga)}}}*100\%$

Siendo el valor de la tensión media en la carga:

$V_{dc(enplenacarga)}=\left({\frac {V_{max}}{\pi }}\right)-\left(I_{dc(en\;plena\;carga)}(R_{S}+R_{D})\right)$

-Fáctor de forma: Es la relación ente el valor medio y el eficaz, se calcula:

$FF={\frac {V_{rms}}{V_{dc}}}={\frac {0,5V_{max}}{0,318V_{max}}}=1,57$

-Fáctor de rizado: Es una buena forma de medir el aislamiento en la salida de corriente continua, se calcula:

$FR(\%)={\frac {V_{ac,rms(salida)}}{V_{dc}}}*100\%$

Sabiendo que:

$(V_{rms})^{2}=(V_{ac,rms(salida)})^{2}+(V_{dc})^{2}$

-Valor medio de la corriente en la carga: Es un valor que determina la componente de continua que posee la corriente en la carga, se calcula:

$I_{\mathrm {max} }={\frac {I_{\mathrm {max} }}{\pi }}$

-Valor eficaz de la corriente en la carga: Es la media cuadrática de los valores instantáneos durante un periodo completo, se calcula:

$I_{\mathrm {max} }={\frac {I_{\mathrm {max} }}{2}}$

-Potencia media en la carga: Se calcula:

$P_{\mathrm {dc} }={\frac {(V_{\mathrm {dc} })^{2}}{R}}={\frac {(0,318\,V_{\mathrm {max} })^{2}}{R}}$

-Potencia eficaz en la carga: Se calcula:

$P_{\mathrm {ac} }={\frac {(V_{\mathrm {rms} })^{2}}{R}}={\frac {(0,5\,V_{\mathrm {max} })^{2}}{R}}$

-Rendimiento: Es la proporción de la energía proporcionada a un sistema y la que este proporciona, se calcula:

$\eta ={\frac {P_{\mathrm {dc} }}{P_{\mathrm {ac} }}}={\frac {\dfrac {(V_{\mathrm {dc} })^{2}}{R}}{\dfrac {(V_{\mathrm {rms} })^{2}}{R}}}={\frac {(0,318\,V_{\mathrm {max} })^{2}}{(0,5\,V_{\mathrm {max} })^{2}}}={\frac {0,101}{0,25}}=0,404\rightarrow (40,4\%)$

Actividades

1ª Problema resuelto.

Dado un rectificador monofásico de media onda con carga resistiva cuyo esquema es el mostrado al margen derecho, calcular lo siguiente:

a) Tensión de pico en la carga. b) Corriente de pico en la carga. c) Tensión media en la carga. d) Corriente media en la carga. e) Corriente eficaz en la carga. f) Potencia eficaz en la carga. g) Factor de potencia.

Obtener mediante Pspice las formas de onda de: Vc (tensión de carga), Vdc, ic, Idc, Irms, Pac.

DATOS: R = 20 Ω; Vs = 240 V; f = 50 Hz

Esquema 1ª actividad resuelta

Solución:

a) La tensión de pico en la carga corresponderá con la tensión máxima suministrada por el secundario:

$V_{p(carga)}=V_{\mathrm {max} }={\sqrt {2}}\cdot V_{s}=1.414\cdot 240=339,4V$

b) La corriente de pico en la carga se correspondería con la intensidad máxima y se podría obtener de la tensión máxima:

$I_{p(carga)}=I_{\mathrm {max} }={\frac {V_{\mathrm {max} }}{R}}={\frac {339,4}{20}}=16,97A$

c) Usando la ecuación 7.1 obtenemos la tensión media en la carga:

$V_{de}=(0,318)\cdot V_{\mathrm {max} }=108V$

d) La corriente media en la carga la calcularemos usando la ecuación del apartado anterior, pero sustituyendo la tensión máxima por la intensidad máxima:

$I_{de}=5,4A$

e) La corriente eficaz en la carga se calcula usando la ecuación 7.2 y sustituyendo en ella la tensión máxima por la intensidad máxima:

$I_{rms}={\frac {I_{\mathrm {max} }}{2}}=8,48A$

f) La potencia alterna en la carga será:

$P_{ac}=(I_{rms})^{2}\cdot R=1440W$

g) El factor de potencia:

$FP={\frac {P}{S}}={\frac {1440}{240\cdot 8,48}}=0,7$

• 2ª Problema resuelto.

Dado un restificador monofásico de media onda con carga resistiva como se muestra en la figura, Calcular:

a)La Efriciencia de la Rectificación b)El factor de forma c)El factor de Rizado d)El factor de utilización del transformador e)La tension inversa de pico en el diodo f)El factor de cresta de la corriente de alimentación.

Esquema 2ª actividad resuelta

Solución:

Apartado a)

Partiendo de la ecuación:

$\eta ={\frac {P_{dc}}{P_{ac}}}={\frac {\frac {(V_{dc})^{2}}{2}}{\frac {(V_{ac}^{2}}{2}}}$

Sustituyendo por los valores:

$\eta ={\frac {(0.318\cdot V_{\mathrm {max} })^{2}}{(0.5\cdot V_{\mathrm {max} })^{2}}}=0.405=40.5\%$

Apartado b)

$FF={\frac {V_{rms}}{V_{dc}}}$

Sustituyendo

$FF={\frac {0.5V_{\mathrm {max} }}{0.318V_{\mathrm {max} }}}=1.57$

Apartado c)

Factor de rizado: Es una buena forma de medir el alisamiento en la salida de c.c.:

$FR(\%)={\frac {V_{ac,rms(salida)}}{V_{dc}}}\cdot 100\%$

Sabiendo que:

$(V_{rms})^{2}=(V_{ac,rms(salida)})^{2}+{(V_{dc})^{2}}$

Apartado d)

$V_{s}={\frac {V_{\mathrm {max} }}{\sqrt {2}}}=0.707V_{\mathrm {max} }$ $I_{s}={\frac {0.5V_{\mathrm {max} }}{R}}$

$S=V_{s}\cdot I_{s}=(0.707V_{\mathrm {max} }){\frac {0.5V_{\mathrm {max} }}{R}}$

$F={\frac {P_{dc}}{V_{sis}}}={\frac {V_{dc}\cdot I_{dc}}{(0.707V_{\mathrm {max} }){\frac {0.5V_{\mathrm {max} }}{R}}}}={\frac {(0.318)^{2}}{(0.707)(0.5)}}=0.286$

Apartado e)

La tensión inversa de pico en el diodo:

$PIV=V_{\mathrm {max} }$

Apartado f)

El factor de cresta será:

$CF={\frac {I_{s(pico)}}{I_{S}}}={\frac {V_{\mathrm {max} }/R}{0.5V_{\mathrm {max} }/R}}={\frac {1}{0.5}}=2$

'*1ª problema propuesto.'

El rectificador monofásico de media onda cuyo esquema es el mismo que en el ejercicio 1, es alimentado por una tensión$V_{s}=120V$, 50 Hz. Expresa la tensión instantánea en la carga,$v_{c}(t)$, en series de Fourier.

Solución:

$v_{c}(t)={\frac {V_{\mathrm {max} }}{\pi }}+{\frac {V_{\mathrm {max} }}{2}}\cdot \operatorname {sen}(\omega t)-{\frac {2V_{\mathrm {max} }}{3\pi }}\cdot \cos(2\omega t)+{\frac {2V_{\mathrm {max} }}{15\pi }}\cdot \cos(4\omega t)-{\frac {2V_{\mathrm {max} }}{35\pi }}\cdot \cos(6\omega t)+\dots$

donde:$V_{\mathrm {max} }={\sqrt {2}}(120)=169,7V$ $\omega =2\pi (50)=314,16{\frac {rad}{s}}$

Esquema 1ª actividad propuesta

*2ª problema propuesto.

Para el rectificador de media onda de la figura (2º actividad propuesta)el generador produce una señal sinusoidal de 120V,rms a una frecuencia de 60 Hz. La resistencia en la carga es de 5 ohmnios. Calcular a)Corriente media en la carga b)potencia media obsorbida por la carga c) fdp del circuito

Esquema 2ª actividad propuesta

Lecturas

• Libro de Electrónica de Potencia (Daniel W. Hart)
• Problemas Electrónica de Potencia (Andrés Barrado, Antonio Lazaro)
• Rectificador de media onda
• Electrónica de potencia
• http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema4/Paginas/Pagina3.htm
• https://www.youtube.com/watch?v=FNO1EAqiYGM
• https://www.youtube.com/watch?v=yry5KvaZZ_s
• https://www.youtube.com/watch?v=FNO1EAqiYGM

Referencias

• Libro de Electrónica de Potencia (Daniel W. Hart)
• Apuntes adquiridos en las clases presenciales del profesor.
• Programa de simulación OrCAD Capture.

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