Rectificador

Un tiristor (rectificador controlado por silicon) y hardware de montaje asociado. El ruido roscado pesado conecta el dispositivo a un disipador de calor para disipar el calor.

Un rectificador es un dispositivo eléctrico que convierte la corriente alterna (CA), que cambia periódicamente de dirección, en corriente continua (CC), que fluye en una sola dirección. La operación inversa (conversión de CC a CA) la realiza un inversor.

El proceso se conoce como rectificación, ya que "endereza" la dirección de la corriente. Físicamente, los rectificadores toman varias formas, incluidos diodos de tubo de vacío, celdas químicas húmedas, válvulas de arco de mercurio, pilas de placas de cobre y óxido de selenio, diodos semiconductores, rectificadores controlados por silicio y otros interruptores semiconductores basados en silicio. Históricamente, incluso se han utilizado interruptores electromecánicos síncronos y grupos motogeneradores. Los primeros receptores de radio, llamados radios de cristal, usaban un bigote de gato. de alambre fino presionando sobre un cristal de galena (sulfuro de plomo) para que sirva como rectificador de contacto puntual o "detector de cristal".

Los rectificadores tienen muchos usos, pero a menudo se encuentran sirviendo como componentes de fuentes de alimentación de CC y sistemas de transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje. La rectificación puede cumplir otras funciones además de generar corriente continua para su uso como fuente de energía. Como se señaló, los rectificadores pueden servir como detectores de señales de radio. En los sistemas de calefacción de gas, la rectificación de llama se utiliza para detectar la presencia de una llama.

Según el tipo de suministro de corriente alterna y la disposición del circuito rectificador, el voltaje de salida puede requerir un suavizado adicional para producir un voltaje estable y uniforme. Muchas aplicaciones de los rectificadores, como las fuentes de alimentación para equipos de radio, televisión y computación, requieren un voltaje de CC constante estable (como lo produciría una batería). En estas aplicaciones, la salida del rectificador es suavizada por un filtro electrónico, que puede ser un capacitor, un estrangulador o un conjunto de capacitores, estranguladores y resistencias, posiblemente seguido por un regulador de voltaje para producir un voltaje constante.

Los circuitos más complejos que realizan la función opuesta, es decir, convertir CC en CA, se denominan inversores.

Dispositivos rectificadores

Antes del desarrollo de los rectificadores de semiconductores de silicio, se usaban diodos termoiónicos de tubo de vacío y pilas de rectificadores de metal a base de óxido de cobre o selenio. Con la introducción de la electrónica de semiconductores, los rectificadores de tubos de vacío quedaron obsoletos, excepto para algunos entusiastas de los equipos de audio de tubos de vacío. Para la rectificación de potencia de corriente muy baja a muy alta, se utilizan ampliamente diodos semiconductores de varios tipos (diodos de unión, diodos Schottky, etc.).

Otros dispositivos que tienen electrodos de control, además de actuar como válvulas de corriente unidireccionales, se utilizan cuando se requiere más que una simple rectificación, por ejemplo, cuando se necesita un voltaje de salida variable. Los rectificadores de alta potencia, como los que se utilizan en la transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje, emplean dispositivos semiconductores de silicio de varios tipos. Estos son tiristores u otros interruptores de estado sólido de conmutación controlada, que funcionan efectivamente como diodos para pasar corriente en una sola dirección.

Circuitos rectificadores

Los circuitos rectificadores pueden ser monofásicos o multifásicos. La mayoría de los rectificadores de baja potencia para equipos domésticos son monofásicos, pero la rectificación trifásica es muy importante para aplicaciones industriales y para la transmisión de energía como CC (HVDC).

Rectificadores monofásicos

Rectificación de media onda

En la rectificación de media onda de un suministro monofásico, se pasa la mitad positiva o negativa de la onda de CA, mientras que la otra mitad se bloquea. Debido a que solo la mitad de la forma de onda de entrada llega a la salida, el voltaje medio es más bajo. La rectificación de media onda requiere un solo diodo en un suministro monofásico o tres en un suministro trifásico. Los rectificadores producen una corriente continua unidireccional pero pulsante; los rectificadores de media onda producen mucha más ondulación que los rectificadores de onda completa, y se necesita mucho más filtrado para eliminar los armónicos de la frecuencia de CA de la salida.

Rectificador de media onda, 'U' denota tensión, 'D' denota un diodo, y 'R' una resistencia

El voltaje de CC de salida sin carga de un rectificador de media onda ideal para un voltaje de entrada sinusoidal es:

Vrms=Vpeak2Vdc=Vpeakπ π {displaystyle {begin{aligned}V_{mathrm {rms} [V_{mathrm] {peak} ¿Qué? [V_{mathrm] {fnK} {fnK} {fnK}}} {fnK}}} {fn}} {f}}} {f}}} {f}}} {fn}}} {fn}}}} {f} {f}}} {f}}}}}}}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}f} {f}f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}f}f} {f} {f}f} {f} {f} {f} {f} {f}f}f}f}}f}f}}f}f}f}f} {f}f} {f}f}}

donde:

V_dc, V_av – el DC o el voltaje promedio de salida,

V_pico, el valor máximo de los voltajes de entrada de fase,

V_rms, el valor de la fuente media cuadrado (RMS) del voltaje de salida.

Rectificación de onda completa

Rectificador de onda completa, con tubo de vacío que tiene dos ánodos.

Un rectificador de onda completa convierte la totalidad de 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 derivación central, o cuatro diodos en una configuración de puente y cualquier fuente de CA (incluido un transformador sin derivación central). Los diodos semiconductores simples, los diodos dobles con un cátodo común o un ánodo común y los puentes de cuatro o seis diodos se fabrican como componentes individuales.

Rectificador de puente de Graetz: un rectificador de onda completa con cuatro diodos.

Para CA monofásica, si el transformador tiene una derivación central, entonces dos diodos adosados (cátodo a cátodo o ánodo a ánodo, según la polaridad de salida requerida) pueden formar una onda completa rectificador. Se requiere el doble de vueltas en el secundario del transformador para obtener el mismo voltaje de salida que para un puente rectificador, pero la potencia nominal no cambia.

Rectificador de onda completa usando un transformador de grifo central y 2 diodos.

Los voltajes de salida promedio y RMS sin carga de un rectificador de onda completa monofásico ideal son:

Vdc=Vav=2⋅ ⋅ Vpeakπ π Vrms=Vpeak2{displaystyle {begin{aligned}V_{mathrm {dc} }=V_{mathrm {av} } [8pt]V_{mathrm {rms} [V_{mathrm] {fnK} {fnK}} {fnK}}} {fn}} {fn}} {fn}} {fn}}} {fn}}} {fn}}}}} {fn}}} {f}}} {f}}}} {fn}}}}}}}}}}} {f} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f} {f} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f} {f} {f}f}}}}}}}}}}}}}f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

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

Rectificadores trifásicos

Los rectificadores monofásicos se utilizan comúnmente para fuentes de alimentación para equipos domésticos. Sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones industriales y de alta potencia, los circuitos rectificadores trifásicos son la norma. Al igual que con los rectificadores monofásicos, los rectificadores trifásicos pueden adoptar la forma de un circuito de media onda, un circuito de onda completa que usa un transformador con derivación central o un circuito de puente de onda completa.

Los tiristores se usan comúnmente en lugar de diodos para crear un circuito que puede regular el voltaje de salida. Muchos dispositivos que proporcionan corriente continua en realidad generan CA trifásica. Por ejemplo, el alternador de un automóvil contiene seis diodos, que funcionan como un rectificador de onda completa para cargar la batería.

Circuito trifásico de media onda

Circuito rectificador de onda media controlada de tres fases utilizando tirisadores como elementos de conmutación, ignorando la inductancia de suministro

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

Los valores máximos Vpeak{displaystyle V_{mathrm {peak} } de este voltaje DC de tres ejes se calculan a partir del valor RMS VLN{displaystyle V_{mathrm {LN}} del voltaje de fase de entrada (línea a tensión neutra, 120 V en América del Norte, 230 V dentro de Europa en operación de red eléctrica): Vpeak=2⋅ ⋅ VLN{displaystyle V_{mathrm {fnK}={sqrt {2}cdot V_{mathrm {LN}. El voltaje promedio de salida sin carga Vav{displaystyle V_{mathrm {}} resultados de la parte integral bajo el gráfico de una media onda positiva con la duración del período 23π π {displaystyle {frac {2}}pi} (de 30° a 150°):

⇒ Vdc=Vav=3⋅ ⋅ 3⋅ ⋅ 2⋅ ⋅ VLN2π π {displaystyle V_{mathrm {dc} }=V_{mathrm {av} #={frac {3cdot {sqrt {3}cdot { sqrt {2}cdot V_{mathrm {LN}} {2pi}}} {fn}} {fn}} {fn}}} {fn}}}}} {fn}}}}}}} {fn}}}}}}} {fn}}}}} {fn}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} { ⇒ Vav=3⋅ ⋅ 6⋅ ⋅ VLN2π π {displaystyle V_{mathrm {av} }={frac {3cdot {cHFF} {6}cdot V_{mathrm {LN}} {2pi}}} {fn}} {fn}} {fn}}} {fn}}}}} {fn}}}}}}} {fn}}}}}}} {fn}}}}} {fn}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} { ■ 1,17 ⋅ VLN{displaystyle V_{mathrm {LN}}

Circuito trifásico de onda completa con transformador de derivación central

Circuito rectificador de onda completa controlado de tres fases usando tiristors como los elementos de conmutación, con un transformador equipado con centro, ignorando la inductancia de suministro

Si el suministro de CA se alimenta a través de un transformador con una derivación central, se puede obtener un circuito rectificador con un rendimiento armónico mejorado. Este rectificador ahora requiere seis diodos, uno conectado a cada extremo de cada devanado secundario del transformador. Este circuito tiene un número de impulsos de seis y, en efecto, se puede considerar como un circuito de media onda de seis fases.

Antes de que los dispositivos de estado sólido estuvieran disponibles, el circuito de media onda y el circuito de onda completa con un transformador de derivación central se usaban con mucha frecuencia en los rectificadores industriales que usaban válvulas de arco de mercurio. Esto se debió a que las tres o seis entradas de suministro de CA se podían alimentar a un número correspondiente de electrodos de ánodo en un solo tanque, compartiendo un cátodo común.

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

Puente rectificador trifásico no controlado

alternador de automóvil desmontado, mostrando los seis diodos que componen un rectificador de puente trifásico de onda completa.

Para un puente rectificador trifásico no controlado, se utilizan seis diodos y el circuito nuevamente tiene un número de pulsos de seis. Por esta razón, también se le conoce comúnmente como puente de seis pulsos. El circuito B6 se puede ver 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 solo componente para este propósito. Algunos diodos dobles disponibles comercialmente tienen los cuatro terminales disponibles para que el usuario pueda configurarlos para uso de suministro dividido monofásico, medio puente o rectificador trifásico.

Para aplicaciones de mayor potencia, generalmente se usa un solo dispositivo discreto para cada uno de los seis brazos del puente. Para las potencias más altas, cada brazo del puente puede constar de decenas o cientos de dispositivos separados en paralelo (donde se necesita una corriente muy alta, por ejemplo, en la fundición de aluminio) o en serie (donde se necesitan voltajes muy altos, por ejemplo, en transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje).

Controló el circuito de rectificador de puentes de onda completa (B6C) usando tiristors como elementos de conmutación, ignorando la inductancia de suministro. Los tirisores pulsan en orden V1–V6.

El voltaje pulsante DC resulta de las diferencias de los voltajes instantáneos positivos y negativos VLN{displaystyle V_{mathrm {LN}}, cambiada en fase por 30°:

El voltaje de salida promedio ideal, sin carga Vav{displaystyle V_{mathrm {}} los resultados del circuito B6 de la parte integral bajo el gráfico de un pulso de tensión DC con la duración del período 13π π {displaystyle {frac}}pi} (de 60° a 120°) con el valor máximo v^ ^ DC=3⋅ ⋅ Vpeak{displaystyle {hat {}_{mathrm} {C}={sqrt {3}cdot V_{mathrm {peak} }:

⇒ Vdc=Vav=3⋅ ⋅ 3⋅ ⋅ 2⋅ ⋅ VLNπ π {displaystyle V_{mathrm {dc} }=V_{mathrm {av} #={frac {3cdot {sqrt {3}cdot { sqrt {2}cdot V_{mathrm {LN} {fn} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}} {fn}} {f}}} {f}}}}}} {f}}} {fn}}}}} {f}}} {f}}}}} {f}}}} {f}}}}}}}}}}}}} {\\\p}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\\\\p}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} } ⇒ Vav=3⋅ ⋅ 6⋅ ⋅ VLNπ π {displaystyle V_{mathrm {av} }={frac {3cdot {cHFF} {6}cdot V_{mathrm {LN} {fn} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}} {fn}} {f}}} {f}}}}}} {f}}} {fn}}}}} {f}}} {f}}}}} {f}}}} {f}}}}}}}}}}}}} {\\\p}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\\\\p}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} } ■ 2,34 ⋅ VLN{displaystyle V_{mathrm {LN}}

3 fases de entrada AC, media onda y de salida DC rectificada de onda completa

Si el puente rectificador trifásico funciona simétricamente (como 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) tiene una diferencia de potencial en forma de voltaje triangular de modo común. Por esta razón, estos dos centros nunca deben estar conectados entre sí, de lo contrario fluirían corrientes de cortocircuito. La tierra del puente rectificador trifásico en funcionamiento simétrico queda así desacoplada del conductor neutro o de la tierra de la tensión de red. Alimentado por un transformador, es posible la puesta a tierra del centro del puente, siempre que el devanado secundario del transformador esté aislado eléctricamente de la tensión de red y el punto neutro del devanado secundario no esté a tierra. En este caso, sin embargo, fluyen corrientes de fuga (insignificantes) por los devanados del transformador.

El voltaje de movimiento común se forma a partir de los valores promedios respectivos de las diferencias entre los voltajes de fase positivo y negativo, que forman el voltaje pulsante DC. El valor máximo del voltaje del delta v^ ^ common− − mode{displaystyle {hat {}_{mathrm} {common-mode} cantidades 1⁄4 del valor máximo del voltaje de entrada de fase Vpeak{displaystyle V_{mathrm {peak} } y se calcula con Vpeak{displaystyle V_{mathrm {peak} } menos la mitad del voltaje DC a 60° del período:

v^ ^ common− − mode=Vpeak− − 3⋅ ⋅ Vpeak⋅ ⋅ pecado⁡ ⁡ 60∘ ∘ 2=Vpeak⋅ ⋅ ()1− − 3⋅ ⋅ pecado⁡ ⁡ 60∘ ∘ 2){displaystyle {hat {}_{mathrm} {common-mode} }=V_{mathrm {peak}-{frac} {fnK}cdot V_{mathrm {fnK}cdot sin 60^{circ} }{2}=V_{mathrm {fnK}cdot {cH00}cdot sin 60^{circ} } {2} {Biggl}} = Vpeak{displaystyle V_{mathrm {peak} } · 0,25

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

Vcommon− − mode=v^ ^ common− − mode3{displaystyle V_{mathrm {common-mode} }={frac {hat {fn}_{mathrm {common-mode}. {}}}

Si el circuito funciona de forma asimétrica (como una tensión de alimentación simple con un solo polo positivo), tanto el polo positivo como el negativo (o el potencial de referencia aislado) pulsan frente al centro (o tierra) de la tensión de entrada de forma análoga. a las formas de onda positivas y negativas de los voltajes de fase. Sin embargo, las diferencias en los voltajes de fase dan como resultado el voltaje de CC de seis pulsos (durante un período). La separación estricta del centro del transformador del polo negativo (de lo contrario, fluirán corrientes de cortocircuito) o una posible puesta a tierra del polo negativo cuando se alimenta con un transformador de aislamiento se aplican de manera correspondiente a la operación simétrica.

Puente rectificador trifásico controlado

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

Vdc=Vav=3⋅ ⋅ 3⋅ ⋅ Vpeakπ π ⋅ ⋅ #⁡ ⁡ α α {displaystyle V_{mathrm {dc} }=V_{mathrm {av} }={frac {3cdot {cHFF} {3}cdot V_{mathrm {peak} {pi}cdot cos alpha }

O, expresado en términos del voltaje de entrada de línea a línea:

Vdc=Vav=3⋅ ⋅ VLLpeakπ π ⋅ ⋅ #⁡ ⁡ α α {displaystyle V_{mathrm {dc} }=V_{mathrm {av} #={frac {3cdot V_{mathrm {LLpeak} {cdot cos alpha }

Dónde:

V_LLpeak, el valor máximo de la línea a los voltajes de entrada de línea,

V_pico, el valor máximo de la fase (línea a neutral) tensión de entrada,

α, ángulo de disparo del tiristor (0 si los diodos se utilizan para realizar la rectificación)

Las ecuaciones anteriores solo son válidas cuando no se extrae corriente del suministro de CA o, en el caso teórico, cuando las conexiones del suministro de CA no tienen inductancia. En la práctica, la inductancia de suministro provoca una reducción del voltaje de salida de CC con el aumento de la carga, normalmente en el rango de 10 a 20 % a plena carga.

El efecto de la inductancia de suministro es ralentizar el proceso de transferencia (llamado conmutación) de una fase a la siguiente. Como resultado de esto, en cada transición entre un par de dispositivos, hay un período de superposición durante el cual tres (en lugar de dos) dispositivos en el puente conducen simultáneamente. El ángulo de superposición suele denominarse con el símbolo μ (o u) y puede ser de 20 30° a plena carga.

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

Vdc=Vav=3⋅ ⋅ VLLpeakπ π ⋅ ⋅ #⁡ ⁡ ()α α +μ μ ){displaystyle V_{mathrm {dc} }=V_{mathrm {av} #={frac {3cdot V_{mathrm {LLpeak} {pi}cdot cos(alpha +mu)}

El ángulo de superposición μ está directamente relacionado con la corriente CC y la ecuación anterior se puede volver a expresar como:

Vdc=Vav=3⋅ ⋅ VLLpeakπ π ⋅ ⋅ #⁡ ⁡ ()α α )− − 6fLcId{displaystyle [V_{mathrm] {dc} }=V_{mathrm {av} #={frac {3cdot V_{mathrm {LLpeak}} {pi}cdot cos(alpha)}-{6fL_{mathrm {c}I_{mathrm {d}} {}}} {} {}} {c}} {c}}} {c}}}}} {cdotcdotcdotcdotcdotc}}}}}}}}}}} {cdot}} {cdot}} {cdotcdotcdotcdot}} {cdotcdotcdotcdotc}}}}}}}} {cdotcdotc} {cdotc} {cdotcdotcdotcdotcdotcdotcdotcdotcdotcdotcdotcdotcdotcdotcdotcdotc

Dónde:

L_c, la inductancia conmutadora por fase

I_d, la corriente directa

Rectificador de puente de Graetz de tres fases a alpha=0° sin solapamiento

Rectificador de puente de Graetz en alfa=0° con ángulo de superposición de 20°

Rectificador de puente de Graetz controlado por tres fases a alpha=20° con ángulo de solapamiento de 20°

Rectificador de puente de Graetz controlado por tres fases a alfa=40° con ángulo de superposición de 20°

Puente de doce pulsos

Doce rectificador de puente de pulso usando tirisadores como elementos de conmutación. Un puente de seis pulsaciones consiste en los tirisores numerados, el otro es el conjunto de números impares.

Aunque son mejores que los rectificadores monofásicos o los rectificadores trifásicos de media onda, los circuitos rectificadores de seis pulsos aún producen una distorsión armónica considerable en las conexiones de CA y 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, con sus conexiones de CA alimentadas desde un transformador de suministro que produce un cambio de fase de 30° entre los dos puentes. Esto cancela muchos de los armónicos característicos que producen los puentes de seis pulsos.

El cambio de fase de 30 grados generalmente se logra mediante el uso de un transformador con dos juegos de devanados secundarios, uno en conexión en estrella (estrella) y otro en conexión en triángulo.

Rectificadores multiplicadores de tensión

Interruptor completo puente / doble voltaje.

El rectificador simple de media onda se puede construir en dos configuraciones eléctricas con los diodos apuntando en direcciones opuestas, una versión conecta el terminal negativo de la salida directamente al suministro de CA y la otra conecta el terminal positivo de la salida directamente a el suministro de CA. Al combinar ambos con suavizado de salida separado, es posible obtener un voltaje de salida de casi el doble del voltaje de entrada de CA pico. Esto también proporciona una derivación en el medio, lo que permite el uso de dicho circuito como una fuente de alimentación de riel dividido.

Una variante de esto es usar dos capacitores en serie para suavizar la salida en un puente rectificador y luego colocar un interruptor entre el punto medio de esos capacitores y uno de los terminales de entrada de CA. Con el interruptor abierto, este circuito actúa como un puente rectificador normal. Con el interruptor cerrado, actúa como un rectificador de duplicación de voltaje. En otras palabras, esto facilita la derivación de un voltaje de aproximadamente 320 V (±15 %, aprox.) de CC de cualquier fuente de alimentación de 120 V o 230 V en el mundo, esto luego se puede alimentar a un modo conmutado relativamente simple. fuente de alimentación. Sin embargo, para una ondulación deseada dada, el valor de ambos condensadores debe ser el doble del valor del único requerido para un puente rectificador normal; cuando el interruptor está cerrado, cada uno debe filtrar la salida de un rectificador de media onda, y cuando el interruptor está abierto, los dos capacitores están conectados en serie con un valor equivalente a la mitad de ellos.

Multiplicador de tensión de Walton Cockcroft

Se pueden agregar etapas de capacitor y diodo en cascada para hacer un multiplicador de voltaje (circuito Cockroft-Walton). Estos circuitos son capaces de producir un potencial de voltaje de salida de CC hasta aproximadamente diez veces el voltaje máximo de entrada de CA, en la práctica limitado por problemas de regulación de voltaje y capacidad actual. Los multiplicadores de voltaje de diodo, que se usan con frecuencia como etapa de refuerzo final o fuente primaria de alto voltaje (HV), se usan en fuentes de alimentación de láser HV, dispositivos de alimentación como tubos de rayos catódicos (CRT) (como los que se usan en televisores, radares y sonares basados en CRT). pantallas), dispositivos amplificadores de fotones que se encuentran en tubos intensificadores de imagen y fotomultiplicadores (PMT), y dispositivos de radiofrecuencia (RF) basados en magnetrones que se usan en transmisores de radar y hornos de microondas. Antes de la introducción de la electrónica de semiconductores, los receptores de tubo de vacío sin transformador alimentados directamente desde la alimentación de CA a veces usaban duplicadores de voltaje para generar aproximadamente 300 VCC a partir de una línea de alimentación de 100 a 120 V.

Cuantificación de rectificadores

Se utilizan varias relaciones para cuantificar la función y el rendimiento de los rectificadores o su salida, incluido el factor de utilización del transformador (TUF), la relación de conversión (η), el factor de ondulación, factor de forma y factor de pico. Las dos medidas principales son el voltaje de CC (o compensación) y el voltaje de ondulación pico a pico, que son componentes constituyentes del voltaje de salida.

Ratio de conversión

La relación de conversión (también denominada "relación de rectificación" y, de manera confusa, "eficiencia") η se define como la relación de potencia de salida de CC a la potencia de entrada del suministro de CA. Incluso con los rectificadores ideales, la relación es inferior al 100 % porque parte de la potencia de salida es potencia de CA en lugar de CC, lo que se manifiesta como una ondulación superpuesta a la forma de onda de CC. La relación se puede mejorar con el uso de circuitos de suavizado que reducen la ondulación y, por lo tanto, reducen el contenido de CA de la salida. La relación de conversión se reduce por las pérdidas en los devanados del transformador y la disipación de potencia en el propio elemento rectificador. Esta relación tiene poca importancia práctica porque un rectificador casi siempre va seguido de un filtro para aumentar el voltaje de CC y reducir la ondulación. En algunas aplicaciones trifásicas y multifásicas, la relación de conversión es lo suficientemente alta como para que no sea necesario un circuito de suavizado. En otros circuitos, como los circuitos calentadores de filamento en la electrónica de tubos de vacío donde la carga es casi totalmente resistiva, se pueden omitir los circuitos de suavizado porque las resistencias disipan tanto la alimentación de CA como la de CC, por lo que no se pierde energía.

Para un rectificador de media onda, la relación es muy modesta.

PAC=Vpeak2⋅ ⋅ Ipeak2{displaystyle P_{mathrm {C}={V_{mathrm {peak} over 2}cdot {I_{mathrm} {peak} } over 2} (los divisores son 2 en lugar de √2 porque ningún poder se entrega en el medio ciclo negativo

PDC=Vpeakπ π ⋅ ⋅ Ipeakπ π {displaystyle P_{mathrm {DC}={V_{mathrm {peak} over pi }cdot {I_{mathrm} {peak} } over pi }

Por lo tanto, la relación de conversión máxima para un rectificador de media onda es,

.. =PDCPAC.. 40,5% % {displaystyle eta ={P_{mathrm {C} over P_{mathrm {C}approx 40.5%}

Del mismo modo, para un rectificador de onda completa,

PAC=Vpeak2⋅ ⋅ Ipeak2{displaystyle P_{mathrm {C} {c}cdot {cH00} {c}}cdot {mmmmm} {sqrt} {c} {c} {cH00} {cHFF} {c} {c} {c} {c} {cH00}}c} {c}}}c}c}}c}c}}c}cdot {cdot {cdot {c} {c} {c} {c} {c} {c} {c} {c}c}c}}c}c}c}c} {c} {c} {c} {c} {cdot {c} {c} {c} {cdot {c} {c} {c} {c} {c} {c} {c} {c} {cdot {c {2}}}

PDC=2⋅ ⋅ Vpeakπ π ⋅ ⋅ 2⋅ ⋅ Ipeakπ π {displaystyle P_{mathrm {C}={2cdot V_{mathrm {fnK}cdot {2cdot} I_{mathrm {peak} over pi }

.. =PDCPAC.. 81.0% % {displaystyle eta ={P_{mathrm {C} over P_{mathrm {C}approx 81.0%}

Los rectificadores trifásicos, especialmente los rectificadores trifásicos de onda completa, tienen relaciones de conversión mucho mayores porque la ondulación es intrínsecamente más pequeña.

Para un rectificador trifásico de media onda,

PAC=3⋅ ⋅ Vpeak2⋅ ⋅ Ipeak2{displaystyle P_{mathrm {C}=3cdot {V_{mathrm} {peak} over 2}cdot {I_{mathrm} {peak} } over 2}

PDC=3⋅ ⋅ 3⋅ ⋅ Vpeak2π π ⋅ ⋅ 3⋅ ⋅ 3⋅ ⋅ Ipeak2π π {displaystyle P_{mathrm {C}={frac {3cdot {cHFF} {3}cdot V_{mathrm {fnK} {fnMicroc}cdot {fnMicroc} {fnK}}} {cdot} {cdot {f}fnMicroc} {fnK}} {fnK}}} {cdot {cdot {cHFF}}} {cdot}}}} {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {f} {cdot {f} {f}f}f}f}f}f} {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {f}f}}f}}}}}}}}fn {3cdot {sqrt {3}cdot I_{mathrm {peak} {2pi}} {c}} {c}} {c}} {c}} {c}}} {c}} {c}}}} {c}} {c}}} {cdot} {cdot}} {cdot} {c}}}}} {cdot}} {cdot}cdot}}} {cdot}}} {cdot} {cdot}}} {cdot}} {cdot} {cdot}}}}}}}}}} {cdot} {cdot {cdot}} {cdot} {cdot}}}} {cdot}} {cdot}} {cdot {cdot Icdot} {cdot} {cdot} {cdot}} {cdo

Para un rectificador trifásico de onda completa,

PAC=3⋅ ⋅ Vpeak2⋅ ⋅ Ipeak2{displaystyle P_{mathrm {C}=3cdot {V_{mathrm} {fnK} {cdot {cH00}cdot {mmhm {fn} over {sqrt}}cdot {mmmmmhm {cH00} {cH00} {cH00} {c}}cdot}cdot {c}cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {cdot {c}} {cdot {c} {cdot {c} {c} {c} {c} {c} {c} {cdot {c} {cdot {cdot {c} {cdot {cdot {c} {cdot {c} {c} {c} {c}c}c}}}c}}cdot {cdot {cdot {2}}}

PDC=3⋅ ⋅ 3⋅ ⋅ Vpeakπ π ⋅ ⋅ 3⋅ ⋅ 3⋅ ⋅ Ipeakπ π {displaystyle P_{mathrm {C}={frac {3cdot {cHFF} {3}cdot V_{mathrm {fnK} {fnK}}cdot {fnMicroc} {fnK}}} {cdot {f}cdot {fnMicroc} {3cdot {sqrt {3}cdot I_{mathrm {peak} {c} {c} {c}} {c}} {cdot I_{m} {c}} {c}} {cdot} {cdot} {cdot} {cdot}} {cdot} {cdot}} {cdot} {cdot}} {cdot} {cdot} {cdot} {cdot} {cdot {cdot} {cdot}} {cdot} {cdot {cdot}} {cdot}}} {cdot} {cdot} {cdot} {cdot} {cdot {cdot} {cdot} {cdot {cdot} {cdot {cdot} {cdot} {cdot} {cdot }

Ratio de utilización del transformador

El factor de utilización del transformador (TUF) de un circuito rectificador se define como la relación entre la potencia de CC disponible en la resistencia de entrada y la clasificación de CA de la bobina de salida de un transformador.

T.U.F=PodcVAratingoftransformer{displaystyle T.U.F={frac {P_{odc}{mathrm {VA rating of transformer} }

El VA{displaystyle VA} la calificación del transformador se puede definir como: VA=VrmsIÍ Í rms()ForsecondarSí.coil.){displaystyle VA=V_{mathrms} { dot {}_{mathrm {m} {mhm {fnMicrosoft Sans Serif}}}} {mhm}}}}}} {mhm}} {mhm2}}}

Caída de tensión del rectificador

Ver también: Diodo § Tensión de umbral directo para varios semiconductores

Un rectificador real cae característicamente parte del voltaje de entrada (una caída de voltaje, para dispositivos de silicio, típicamente de 0,7 voltios más una resistencia equivalente, en general no lineal) y, a altas frecuencias, distorsiona las formas de onda de otras maneras. A diferencia de un rectificador ideal, disipa algo de energía.

Un aspecto de la mayoría de las rectificaciones es una pérdida del voltaje de entrada máximo al voltaje de salida máximo, causada por la caída de voltaje incorporada en los diodos (alrededor de 0,7 V para diodos de unión p-n de silicio ordinarios y 0,3 V para diodos Schottky diodos). La rectificación de media onda y la rectificación de onda completa usando un secundario con derivación central produce una pérdida de voltaje máxima de una caída de diodo. La rectificación del puente tiene una pérdida de dos caídas de diodo. Esto reduce el voltaje de salida y limita el voltaje de salida disponible si se debe rectificar un voltaje alterno muy bajo. Como los diodos no conducen por debajo de este voltaje, el circuito solo pasa corriente durante una parte de cada medio ciclo, lo que provoca que aparezcan segmentos cortos de voltaje cero (donde el voltaje de entrada instantáneo está por debajo de una o dos caídas de diodo) entre cada &# 34;joroba".

La pérdida máxima es muy importante para los rectificadores de bajo voltaje (por ejemplo, 12 V o menos), pero es insignificante en aplicaciones de alto voltaje, como los sistemas de transmisión de energía HVDC.

Distorsión armónica

Las cargas no lineales, como los rectificadores, producen armónicos de corriente de la frecuencia de la fuente en el lado de CA y armónicos de voltaje de la frecuencia de la fuente en el lado de CC, debido al comportamiento de conmutación.

Suavizado de salida del rectificador

La entrada AC (amarillo) y salida DC (verde) de un rectificador de media onda con un condensador de suavizado. Observe la onda en la señal DC.

Mientras que la rectificación de media onda y de onda completa entrega corriente unidireccional, ninguna produce un voltaje constante. Hay un gran componente de voltaje de ondulación de CA en la frecuencia de fuente para un rectificador de media onda y el doble de la frecuencia de fuente para un rectificador de onda completa. El voltaje de ondulación generalmente se especifica de pico a pico. La producción de CC constante a partir de un suministro de CA rectificado requiere un circuito o filtro de suavizado. En su forma más simple, puede ser solo un capacitor (que funciona tanto como capacitor de suavizado como también como capacitor de depósito, amortiguador o voluminoso), estrangulador, resistencia, diodo Zener y resistencia, o regulador de voltaje colocado en la salida del rectificador. En la práctica, la mayoría de los filtros de suavizado utilizan múltiples componentes para reducir eficientemente el voltaje de ondulación a un nivel tolerable por el circuito.

Rectificador de puente de diodo de onda completa con filtro RC paralelo

El condensador de filtro libera su energía almacenada durante la parte del ciclo de CA cuando la fuente de CA no suministra energía, es decir, cuando la fuente de CA cambia la dirección del flujo de corriente.

Rendimiento con fuente de baja impedancia

El diagrama anterior muestra el rendimiento del depósito desde una fuente de impedancia cercana a cero, como un suministro principal. A medida que aumenta el voltaje del rectificador, carga el capacitor y también suministra corriente a la carga. Al final del cuarto de ciclo, el capacitor se carga a su valor pico Vp del voltaje del rectificador. Después de esto, el voltaje del rectificador comienza a disminuir a su valor mínimo Vmin a medida que ingresa al siguiente cuarto de ciclo. Esto inicia la descarga del condensador a través de la carga.

El tamaño del capacitor C está determinado por la cantidad de ondulación r que se puede tolerar, donde r=(Vp-Vmin)/Vp.

Con mucha frecuencia, estos circuitos se alimentan de transformadores y tienen una resistencia significativa. La resistencia del transformador modifica la forma de onda del condensador del depósito, cambia el voltaje máximo e introduce problemas de regulación.

Filtro de entrada de condensador

Para una carga dada, el dimensionamiento de un capacitor de suavizado es una compensación entre reducir el voltaje de ondulación y aumentar la corriente de ondulación. La corriente máxima se establece por la tasa de aumento de la tensión de alimentación en el flanco ascendente de la onda sinusoidal entrante, reducida por la resistencia de los devanados del transformador. Las corrientes de ondulación altas aumentan las pérdidas I²R (en forma de calor) en los devanados del capacitor, el rectificador y el transformador, y pueden exceder la ampacidad de los componentes o la capacidad nominal de VA del transformador. Los rectificadores de tubo de vacío especifican la capacitancia máxima del capacitor de entrada y los rectificadores de diodo SS también tienen limitaciones de corriente. Los condensadores para esta aplicación necesitan una ESR baja, o la corriente de ondulación puede sobrecalentarlos. Para limitar el voltaje de ondulación a un valor específico, el tamaño del capacitor requerido es proporcional a la corriente de carga e inversamente proporcional a la frecuencia de suministro y el número de picos de salida del rectificador por ciclo de entrada. La salida rectificada de onda completa requiere un capacitor más pequeño porque es el doble de la frecuencia de la salida rectificada de media onda. Para reducir la ondulación a un límite satisfactorio con un solo capacitor, a menudo se requeriría un capacitor de tamaño poco práctico. Esto se debe a que la clasificación de corriente de ondulación de un capacitor no aumenta linealmente con el tamaño y también puede haber limitaciones de altura. En cambio, para aplicaciones de alta corriente se utilizan bancos de condensadores.

Filtro de entrada de estrangulador

También es posible poner la forma de onda rectificada en un filtro de entrada de ahogamiento. La ventaja de este circuito es que la forma de onda actual es más suave: la corriente se dibuja sobre todo el ciclo, en lugar de ser dibujado en pulsos en los picos de tensión AC cada medio ciclo como en un filtro de entrada capacitor. La desventaja es que la salida de voltaje es mucho menor – el promedio de un ciclo medio AC en lugar del pico; esto es alrededor del 90% del voltaje RMS versus el voltaje 2{displaystyle {sqrt {2}} veces el voltaje RMS (descargado) para un filtro de entrada de condensador. Offsetting esto es regulación de voltaje superior y mayor corriente disponible, que reduce el voltaje pico y las exigencias de corriente onduladas en los componentes de alimentación. Los inductores requieren núcleos de hierro u otros materiales magnéticos, y añaden peso y tamaño. Por lo tanto, su uso en suministros de energía para equipos electrónicos se ha reducido en favor de circuitos semiconductores como reguladores de tensión.

Resistencia como filtro de entrada

En los casos en los que el voltaje de ondulación es insignificante, como en los cargadores de baterías, el filtro de entrada puede ser una resistencia en serie única para ajustar el voltaje de salida al requerido por el circuito. Una resistencia reduce tanto el voltaje de salida como el voltaje de ondulación proporcionalmente. Una desventaja de un filtro de entrada de resistencia es que consume energía en forma de calor residual que no está disponible para la carga, por lo que se emplea solo en circuitos de baja corriente.

Filtros de orden superior y en cascada

Para reducir aún más la ondulación, el elemento de filtro inicial puede ir seguido de componentes de filtro de derivación y serie alterna adicionales, o de un regulador de voltaje. Los componentes del filtro en serie pueden ser resistencias o estranguladores; Los elementos de derivación pueden ser resistencias o condensadores. El filtro puede aumentar el voltaje de CC como así como reducir la ondulación. Los filtros a menudo se construyen a partir de pares de componentes en serie/derivación llamados secciones RC (resistencia en serie, capacitor en derivación) o LC (estrangulador en serie, capacitor en derivación). Dos geometrías de filtro comunes se conocen como filtros Pi (condensador, estrangulador, capacitor) y T (estrangulador, capacitor, estrangulador). A veces, los elementos en serie son resistencias, porque las resistencias son más pequeñas y más baratas, cuando se desea o se permite una salida de CC más baja. Otro El tipo de geometría de filtro especial es un estrangulador resonante en serie o un filtro de estrangulador sintonizado. A diferencia de otras geometrías de filtro que son filtros de paso bajo, un filtro de estrangulador resonante es un filtro de parada de banda: es una combinación paralela de estrangulador y condensador que resuena a la frecuencia de la tensión de ondulación, presentando una impedancia muy alta a la ondulación.. Puede ser seguido por un condensador de derivación para completar el filtro.

Reguladores de voltaje

Una alternativa más habitual a los componentes de filtro adicionales, si la carga de CC requiere un voltaje de ondulación muy bajo, es seguir el filtro de entrada con un regulador de voltaje. Un regulador de voltaje opera con un principio diferente al de un filtro, que es esencialmente un divisor de voltaje que desvía el voltaje a la frecuencia de ondulación lejos de la carga. Más bien, un regulador aumenta o disminuye la corriente suministrada a la carga para mantener un voltaje de salida constante.

Un regulador de voltaje de derivación pasivo simple puede consistir en una resistencia en serie para reducir el voltaje de la fuente al nivel requerido y una derivación de diodo Zener con inversión voltaje igual al voltaje establecido. Cuando el voltaje de entrada aumenta, el diodo descarga corriente para mantener el voltaje de salida establecido. Este tipo de regulador generalmente se emplea solo en circuitos de baja tensión y baja corriente porque los diodos Zener tienen limitaciones tanto de tensión como de corriente. También es muy ineficiente, porque descarga el exceso de corriente, que no está disponible para la carga.

Una alternativa más eficiente a un regulador de voltaje de derivación es un circuito regulador de voltaje activo. Un regulador activo emplea componentes reactivos para almacenar y descargar energía, de modo que la mayor parte o la totalidad de la corriente suministrada por el rectificador pase a la carga. También puede usar retroalimentación negativa y positiva junto con al menos un componente amplificador de voltaje como un transistor para mantener el voltaje de salida cuando cae el voltaje de la fuente. El filtro de entrada debe evitar que los valles de la ondulación caigan por debajo del voltaje mínimo requerido por el regulador para producir el voltaje de salida requerido. El regulador sirve tanto para reducir significativamente la ondulación como para hacer frente a las variaciones en las características de suministro y carga.

Aplicaciones

La aplicación principal de los rectificadores es derivar energía de CC de un suministro de CA (convertidor de CA a CC). Los rectificadores se utilizan dentro de las fuentes de alimentación de prácticamente todos los equipos electrónicos. Las fuentes de alimentación de CA/CC se pueden dividir ampliamente en fuentes de alimentación lineales y fuentes de alimentación de modo conmutado. En dichas fuentes de alimentación, el rectificador estará en serie siguiendo al transformador, seguido de un filtro suavizante y posiblemente un regulador de voltaje.

Convertir la corriente continua de un voltaje a otro es mucho más complicado. Un método de conversión de CC a CC primero convierte la energía a CA (usando un dispositivo llamado inversor), luego usa un transformador para cambiar el voltaje y finalmente rectifica la energía nuevamente a CC. Por lo general, se utiliza una frecuencia de varias decenas de kilohercios, ya que esto requiere una inductancia mucho menor que a frecuencias más bajas y evita el uso de transformadores con núcleo de hierro pesados, voluminosos y costosos. Otro método para convertir voltajes de CC utiliza una bomba de carga, que utiliza una conmutación rápida para cambiar las conexiones de los condensadores; esta técnica generalmente se limita a suministros de hasta un par de vatios, debido al tamaño de los condensadores necesarios.

Tensión de salida de un rectificador de onda completa con tirisores controlados

Los rectificadores también se utilizan para la detección de señales de radio moduladas en amplitud. La señal puede amplificarse antes de la detección. De lo contrario, se debe utilizar un diodo de caída de voltaje muy bajo o un diodo polarizado con un voltaje fijo. Cuando se usa un rectificador para la demodulación, el capacitor y la resistencia de la carga deben combinarse cuidadosamente: una capacitancia demasiado baja hace que la portadora de alta frecuencia pase a la salida, y una capacitancia demasiado alta hace que el capacitor simplemente se cargue y permanezca cargado.

Los rectificadores suministran voltaje polarizado para soldadura. En tales circuitos se requiere el control de la corriente de salida; esto a veces se logra reemplazando algunos de los diodos en un puente rectificador con tiristores, efectivamente diodos cuya salida de voltaje se puede regular encendiendo y apagando con controladores de fase.

Los tiristores se utilizan en varias clases de sistemas de material rodante ferroviario para que se pueda lograr un control preciso de los motores de tracción. Los tiristores de desactivación de puerta se utilizan para producir corriente alterna a partir de un suministro de CC, por ejemplo, en los trenes Eurostar para alimentar los motores de tracción trifásicos.

Tecnologías de rectificación

Electromecánica

Antes de 1905, cuando se desarrollaron los rectificadores de tipo tubo, los dispositivos de conversión de energía tenían un diseño puramente electromecánico. Los rectificadores mecánicos usaban alguna forma de rotación o vibración resonante impulsada por electroimanes, que operaban un interruptor o conmutador para invertir la corriente.

Estos rectificadores mecánicos eran ruidosos y tenían altos requisitos de mantenimiento, incluida la lubricación y el reemplazo de piezas móviles debido al desgaste. La apertura de contactos mecánicos bajo carga resultó en arcos eléctricos y chispas que calentaron y erosionaron los contactos. Tampoco pudieron manejar frecuencias de CA por encima de varios miles de ciclos por segundo.

Rectificador síncrono

Para convertir corriente alterna en corriente continua en locomotoras eléctricas, se puede utilizar un rectificador síncrono. Consiste en un motor síncrono que impulsa un conjunto de contactos eléctricos de alta resistencia. El motor gira al mismo tiempo que la frecuencia de CA e invierte periódicamente las conexiones a la carga en un instante en que la corriente sinusoidal pasa por un cruce por cero. Los contactos no tienen que conmutar una gran corriente, pero deben poder transportar una gran corriente para alimentar los motores de tracción de CC de la locomotora.

Rectificador vibratorio

Un cargador de batería vibrador de 1922. Produjo 6 A DC a 6 V para cargar baterías de automóviles.

Estos consistían en una caña 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 la baja tensión que producía un transformador reductor. Otro uso fue en fuentes de alimentación de batería para radios de válvulas portátiles, para proporcionar el alto voltaje de CC para las válvulas. Estos funcionaban como una versión mecánica de los inversores de conmutación de estado sólido modernos, con un transformador para aumentar el voltaje de la batería y un conjunto de contactos vibradores en el núcleo del transformador, operados por su campo magnético, para interrumpir repetidamente la corriente de la batería de CC para crear un AC pulsante para alimentar el transformador. Luego, un segundo conjunto de contactos rectificadores en el vibrador rectificó el alto voltaje de CA del secundario del transformador a CC.

Grupo motor-generador

Un pequeño motor generador

Un motor-generador, o el convertidor rotativo similar, no es estrictamente un rectificador ya que en realidad no rectifica la corriente, pero más bien genera CC a partir de una fuente de CA. En un "conjunto M-G", el eje de un motor de CA se acopla mecánicamente al de un generador de CC. El generador de CC produce corrientes alternas multifásicas en sus devanados del inducido, que un conmutador en el eje del inducido convierte en una salida de corriente continua; o un generador homopolar produce una corriente continua sin necesidad de un conmutador. Los conjuntos M-G son útiles para producir 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 se convirtieran en semiconductores de alta potencia. ampliamente disponible.

Electrolítica

El rectificador electrolítico fue un aparato de principios del siglo XX que ya no se utiliza. Una versión casera se ilustra en el libro de 1913 The Boy Mechanic pero sería adecuado para usar solo con voltajes muy bajos debido al bajo voltaje de ruptura y al riesgo de descarga eléctrica. Un dispositivo más complejo de este tipo fue patentado por G. W. Carpenter en 1928 (patente estadounidense 1671970).

Cuando dos metales diferentes están suspendidos en una solución electrolítica, la corriente continua que fluye en un sentido a través de la solución encuentra menos resistencia que en la otra dirección. Los rectificadores electrolíticos suelen utilizar un ánodo de aluminio y un cátodo de plomo o acero, suspendidos en una solución de ortofosfato de triamonio.

La acción de rectificación se debe a una fina capa de hidróxido de aluminio en el electrodo de aluminio, que se forma aplicando primero una fuerte corriente a la celda para formar la capa. El proceso de rectificación es sensible a la temperatura y, para obtener la mejor eficiencia, no debe operar a más de 30 °C (86 °F). También hay un voltaje de ruptura donde se penetra el recubrimiento y se cortocircuita la celda. Los métodos electroquímicos suelen ser más frágiles que los métodos mecánicos y pueden ser sensibles a las variaciones de uso, lo que puede cambiar drásticamente o interrumpir por completo los procesos de rectificación.

Dispositivos electrolíticos similares se utilizaron como pararrayos en la misma época mediante la suspensión de muchos conos de aluminio en un tanque de solución de ortofosfato de triamonio. A diferencia del rectificador anterior, solo se usaron electrodos de aluminio y se usaron en CA, no hubo polarización y, por lo tanto, no hubo acción del rectificador, pero la química fue similar.

El condensador electrolítico moderno, un componente esencial de la mayoría de las configuraciones de circuitos rectificadores, también se desarrolló a partir del rectificador electrolítico.

Tipo de plasma

El desarrollo de la tecnología de tubos de vacío a principios del siglo XX resultó en la invención de varios rectificadores de tipo tubo, que reemplazaron en gran medida a los rectificadores mecánicos ruidosos e ineficientes.

Arco de mercurio

Tubo rectificador de vapor de mercurio industrial de 3 fases

150 kV válvula de arco de mercurio en la central eléctrica Manitoba Hydro, Radisson, Canadá convirtió la energía hidroeléctrica AC a DC para su transmisión a ciudades distantes.

Un rectificador utilizado en sistemas de transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje (HVDC) y procesamiento industrial entre aproximadamente 1909 y 1975 es un rectificador de arco de mercurio o válvula de arco de mercurio. El dispositivo está encerrado en un recipiente de vidrio bulboso o en una tina de metal grande. Un electrodo, el cátodo, se sumerge en una piscina de mercurio líquido en el fondo del recipiente y uno o más electrodos de grafito de alta pureza, llamados ánodos, se suspenden sobre la piscina. Puede haber varios electrodos auxiliares para ayudar a iniciar y mantener el arco. Cuando se establece un arco eléctrico entre el conjunto de cátodos y los ánodos suspendidos, una corriente de electrones fluye del cátodo a los ánodos a través del mercurio ionizado, pero no al revés (en principio, esta es una contraparte de mayor potencia para la rectificación con llama, que utiliza las mismas propiedades de transmisión de corriente unidireccional del plasma naturalmente presente en una llama).

Estos dispositivos se pueden usar a niveles de potencia de cientos de kilovatios y se pueden construir para manejar de una a seis fases de corriente alterna. Los rectificadores de arco de mercurio han sido 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 de Manitoba Hydro Nelson River Bipole, con una clasificación combinada de más de 1 GW y 450 kV.

Tubo de electrones de gas argón

Tungar bulbs de 1917, 2 ampere (izquierda) y 6 amperios

El rectificador General Electric Tungar era un dispositivo de tubo de electrones lleno 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. Operaba de manera similar al diodo de tubo de vacío termoiónico, pero el gas en el tubo se ionizaba durante la conducción directa, lo que le otorgaba una caída de voltaje directo mucho menor para que pudiera rectificar voltajes más bajos. Se usó para cargadores de baterías y aplicaciones similares desde la década de 1920 hasta que los rectificadores de metal de menor costo y, más tarde, los diodos semiconductores, lo reemplazaron. Estos se hicieron 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.

El 0Z4 era un tubo rectificador lleno de gas que se usaba comúnmente en las radios de automóviles con tubos de vacío en las décadas de 1940 y 1950. Era un tubo rectificador de onda completa convencional con dos ánodos y un cátodo, pero era único en el sentido de que no tenía filamento (de ahí el "0" en su número de tipo). Los electrodos tenían una forma tal que el voltaje de ruptura inversa era mucho más alto que el voltaje de ruptura directa. Una vez que se superó el voltaje de ruptura, el 0Z4 cambió a un estado de baja resistencia con una caída de voltaje directo de aproximadamente 24 V.

Tubo de vacío de diodo (válvula)

Diódos de tubo de vacío

El diodo de tubo de vacío termoiónico, originalmente llamado válvula Fleming, fue inventado por John Ambrose Fleming en 1904 como detector de ondas de radio en receptores de radio y evolucionó hasta convertirse en un rectificador general. Consistía en una bombilla de vidrio al vacío con un filamento calentado por una corriente separada y un ánodo de placa de metal. El filamento emitía electrones por emisión termoiónica (el efecto Edison), descubierto por Thomas Edison en 1884, y un voltaje positivo en la placa provocaba una corriente de electrones a través del tubo desde el filamento hasta la placa. Dado que solo el filamento producía electrones, el tubo solo conduciría la corriente en una dirección, lo que permitiría que el tubo rectificara una corriente alterna.

Los rectificadores de diodo termoiónico se usaban ampliamente en fuentes de alimentación en productos electrónicos de consumo de tubos de vacío, como fonógrafos, radios y televisores, por ejemplo, el receptor de radio All American Five, para proporcionar el alto voltaje de placa de CC que necesitan otros tubos de vacío. "Onda completa" Las versiones con dos placas separadas eran populares porque podían usarse con un transformador de derivación central para hacer un rectificador de onda completa. Los rectificadores de tubo de vacío se fabricaron para voltajes muy altos, como la fuente de alimentación de alto voltaje para el tubo de rayos catódicos de los receptores de televisión y el kenotron utilizado para la fuente de alimentación en equipos de rayos X. Sin embargo, en comparación con los diodos semiconductores modernos, los rectificadores de tubo de vacío tienen una resistencia interna alta debido a la carga espacial y, por lo tanto, caídas de voltaje altas, lo que provoca una disipación de energía alta y una eficiencia baja. Rara vez pueden manejar corrientes superiores a 250 mA debido a los límites de disipación de energía de la placa y no se pueden usar para aplicaciones de bajo voltaje, como cargadores de baterías. Otra limitación del rectificador de tubo de vacío es que la fuente de alimentación del calentador a menudo requiere arreglos especiales para aislarla de los altos voltajes del circuito rectificador.

Estado sólido

Detector de cristales

Detector de whisky de Galena cat

El detector de cristal fue el primer tipo de diodo semiconductor. Inventado por Jagadish Chandra Bose y desarrollado por G. W. Pickard a partir de 1902, fue una mejora significativa con respecto a los detectores anteriores, como el coherer. El detector de cristal se usó ampliamente antes de que estuvieran disponibles los tubos de vacío. 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 elástico ligero que toca su superficie. Su fragilidad y capacidad de corriente limitada lo hicieron inadecuado para aplicaciones de suministro de energía. En la década de 1930, los investigadores miniaturizaron y mejoraron el detector de cristal para su uso en frecuencias de microondas.

Rectificadores de selenio y óxido de cobre

Rectificador de selenio

Una vez comunes hasta que fueron reemplazados por rectificadores de estado sólido de silicio más compactos y menos costosos en la década de 1970, estas unidades usaban pilas de placas de metal recubiertas de óxido y aprovechaban las propiedades semiconductoras del selenio o el óxido de cobre. Si bien los rectificadores de selenio eran más livianos y usaban menos energía que los rectificadores de tubo de vacío comparables, tenían la desventaja de una vida útil finita, aumentaban la resistencia con la edad y solo eran adecuados para usar 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 de metal, unidas por un perno central, con el número de pilas determinado por el voltaje; cada celda estaba clasificada para aproximadamente 20 V. Un rectificador de cargador de batería de automóvil podría tener solo una celda: la fuente de alimentación de alto voltaje para un tubo de vacío podría tener docenas de placas apiladas. La densidad de corriente en una pila de selenio enfriada por aire era de aproximadamente 600 mA por pulgada cuadrada de área activa (aproximadamente 90 mA por centímetro cuadrado).

Diodos de silicio y germanio

Una variedad de diodos de silicio de diferentes clasificaciones actuales. A la izquierda hay un rectificador de puente. En los 3 diodos centrales, una banda pintada identifica la terminal de cathode

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

Alta potencia: tiristores (SCR) y convertidores de fuente de voltaje basados en silicio más nuevos

Dos de tres pilas de válvulas de alta potencia usadas para la transmisión de energía de larga distancia de las presas Manitoba Hydro. Compare con el sistema de arco de mercurio del mismo dam-site, arriba.

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

En las aplicaciones de transmisión de potencia media, los sistemas rectificadores de semiconductores de silicio de convertidores con fuente de voltaje (VSC) aún más complejos y sofisticados, como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y los tiristores de apagado de puerta (GTO), han hecho que la alta tensión sea más pequeña. Sistemas de transmisión de energía DC económicos. Todos estos dispositivos funcionan como rectificadores.

A partir de 2009, se esperaba que estos 'interruptores autoconmutadores' de silicio de alta potencia, en particular los IGBT y una variante del tiristor (relacionado con el GTO) denominado tiristor conmutado por compuerta integrado (IGCT), aumentarían su potencia nominal hasta el punto de que eventualmente reemplazarían los sistemas simples de rectificación de CA basados en tiristores para las aplicaciones de CC de transmisión de energía más altas.

Rectificador activo

Voltaje a través de un diodo y un MOSFET. La propiedad de baja resistencia de un MOSFET reduce pérdidas ohmicas en comparación con el rectificador de diodo (bajo 32 A en este caso), que muestra una caída de tensión significativa incluso a niveles muy bajos de corriente. Paralleling two MOSFETs (pink curva) reduce aún más las pérdidas, mientras que paralelamente varios diodos no reducirán significativamente la caída de voltaje hacia adelante.

La rectificación activa es una técnica para mejorar la eficiencia de la rectificación al reemplazar los diodos con interruptores controlados activamente, como transistores, generalmente MOSFET de potencia o BJT de potencia. Mientras que los diodos semiconductores normales tienen una caída de voltaje aproximadamente fija de alrededor de 0,5-1 voltios, los rectificadores activos se comportan como resistencias y pueden tener una caída de voltaje arbitrariamente baja.

Históricamente, los interruptores accionados por vibradores o los conmutadores accionados por motor también se han utilizado para rectificadores mecánicos y rectificaciones síncronas.

La rectificación activa tiene muchas aplicaciones. Se usa con frecuencia para conjuntos de paneles fotovoltaicos para evitar el flujo de corriente inversa que puede causar sobrecalentamiento con sombra parcial y al mismo tiempo generar una pérdida de energía mínima.

Investigación actual

Un área importante de investigación es desarrollar rectificadores de mayor frecuencia, que puedan rectificar en terahercios y frecuencias de luz. Estos dispositivos se utilizan en la detección heterodina óptica, que tiene innumerables aplicaciones en la comunicación por fibra óptica y los relojes atómicos. Otra posible aplicación para tales dispositivos es rectificar directamente las ondas de luz captadas por diminutas antenas, llamadas antenas, para producir energía eléctrica de CC. Se cree que los conjuntos de antenas podrían ser un medio más eficiente para producir energía solar que las células solares.

Un área de investigación relacionada es desarrollar rectificadores más pequeños, porque un dispositivo más pequeño tiene una frecuencia de corte más alta. Los proyectos de investigación están intentando desarrollar un rectificador unimolecular, una sola molécula orgánica que funcionaría como rectificador.