Rectificadores eléctricos (Definición, tipos y funcionamiento)

Los rectificadores son circuitos electrónicos que permiten convertir la corriente alterna (AC) en corriente continua (DC). Esta conversión es fundamental en los sistemas eléctricos industriales, especialmente en fuentes de alimentación, circuitos de control, cargadores de baterías, equipos de automatización y sistemas electrónicos de potencia.

En Electrotecnia Industrial, los rectificadores permiten obtener tensiones continuas a partir de la red de corriente alterna para alimentar dispositivos que requieren este tipo de energía.

El componente fundamental de los rectificadores es el diodo semiconductor, que permite el paso de corriente en un sentido y ofrece una elevada oposición cuando se encuentra polarizado en sentido inverso.

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1. Funcionamiento básico de un rectificador

La corriente alterna cambia periódicamente de sentido y su tensión varía con el tiempo. Durante un ciclo se distinguen dos semiciclos:

• Semiciclo positivo: la tensión presenta una polaridad determinada.

• Semiciclo negativo: la polaridad se invierte.

El rectificador aprovecha uno o ambos semiciclos para conseguir que la corriente atraviese la carga siempre en el mismo sentido.

A la salida se obtiene una tensión continua pulsante. Aunque su polaridad no cambia, su valor instantáneo varía con el tiempo. Por esta razón, normalmente se incorpora una etapa de filtrado para reducir las variaciones de tensión.

2. Tipos de rectificadores

A. Rectificador de media onda

Está formado por un solo diodo conectado en serie con la carga.

Funcionamiento:

• Durante el semiciclo positivo, el diodo queda polarizado directamente y conduce corriente.

• Durante el semiciclo negativo, el diodo queda polarizado inversamente y bloquea el paso de corriente.

Por tanto, solamente se aprovecha uno de los semiciclos de la señal alterna.

Ventajas:

• Circuito sencillo y económico.

• Utiliza pocos componentes.

• Fácil de montar y analizar.

Desventajas:

• Aprovecha solamente la mitad de la señal de entrada.

• Presenta un rizado elevado.

• Su rendimiento de rectificación es inferior al de los rectificadores de onda completa.

Aplicaciones:

• Circuitos de baja potencia.

• Detección de señales.

• Algunas fuentes de alimentación sencillas.

B. Rectificador de onda completa con derivación central (tap central)

Utiliza dos diodos y un transformador cuyo devanado secundario dispone de una conexión central, denominada derivación central o tap central.

Funcionamiento:

• Durante el primer semiciclo, uno de los diodos conduce y el otro permanece bloqueado.

• Durante el segundo semiciclo, los estados se invierten: el segundo diodo conduce y el primero bloquea.

• En ambos semiciclos, la corriente atraviesa la carga en el mismo sentido.

De esta manera, se aprovechan los dos semiciclos de la tensión alterna.

Ventajas:

• Aprovecha ambos semiciclos.

• Produce una salida con menor rizado que el rectificador de media onda.

• En cada semiciclo conduce solamente un diodo.

Desventajas:

• Requiere un transformador con derivación central.

• Cada diodo debe soportar una tensión inversa relativamente elevada.

• El aprovechamiento del devanado secundario es diferente al de un puente rectificador.

Aplicaciones:

• Fuentes de alimentación lineales.

• Circuitos de alimentación de baja y media potencia.

• Equipos electrónicos que utilizan transformadores con secundario de derivación central.

C. Rectificador de onda completa en puente (Puente)

Está formado por cuatro diodos conectados en una configuración especial denominada puente rectificador.

Es una de las configuraciones más utilizadas en fuentes de alimentación.

Funcionamiento:

• Durante el semiciclo positivo, dos diodos conducen y los otros dos permanecen bloqueados.

• Durante el semiciclo negativo, conducen los otros dos diodos.

• En ambos casos, la corriente atraviesa la carga en el mismo sentido.

Por tanto, se aprovechan los dos semiciclos de la tensión alterna sin necesidad de utilizar un transformador con derivación central.

Ventajas:

• Aprovecha ambos semiciclos.

• Presenta un mejor rendimiento que el rectificador de media onda.

• No necesita un transformador con tap central.

• Es una configuración sencilla y ampliamente utilizada.

Desventajas:

• La corriente atraviesa dos diodos en cada semiciclo.

• Se produce una caída de tensión correspondiente a la suma de las caídas directas de ambos diodos.

En un puente con diodos de silicio convencionales, esta caída puede ser aproximadamente de 1,4 V (considerando unos 0,7 V por diodo). El valor real depende del tipo de diodo y de la corriente que circula.

Aplicaciones industriales:

• Fuentes de alimentación para circuitos de control.

• Alimentación de equipos electrónicos.

• Cargadores de baterías.

• Etapas de entrada de convertidores electrónicos.

• Sistemas de alimentación de corriente continua.

El esquema muestra el puente con los cuatro diodos (D1 a D4) conectados en rombo. El secundario del transformador tiene solo dos terminales, A y B, y no usa toma central. Cada terminal se conecta a un vértice lateral del rombo, y la carga RL se conecta entre los vértices superior e inferior. En el símbolo de cada diodo, la barra marca el cátodo. Con los botones puede alternar entre los dos semiciclos, y la línea punteada naranja indica el recorrido de la corriente.

Semiciclo positivo (A es +). La corriente sale por A, pasa por D1 hasta el nodo superior, atraviesa la carga de arriba hacia abajo y vuelve por D4 hasta B. Los diodos D2 y D3 quedan polarizados en inversa y no conducen.

Semiciclo negativo (B es +). La corriente sale por B, pasa por D2 hasta el nodo superior, atraviesa la carga en el mismo sentido y vuelve por D3 hasta A. Ahora D1 y D4 son los que están bloqueados.

En ambos semiciclos la corriente atraviesa la carga siempre de arriba hacia abajo, por eso el nodo superior es el borne positivo de la salida. La tensión en la carga es una señal rectificada de onda completa, como se ve en las formas de onda de abajo. En cada semiciclo conducen dos diodos en serie, así que la tensión de salida es la del secundario menos dos caídas de diodo (unos 1,4 V con diodos de silicio).

3. Filtrado y suavizado de la tensión rectificada

La tensión obtenida directamente de un rectificador es pulsante. Aunque mantiene una sola polaridad, todavía presenta variaciones importantes que pueden afectar el funcionamiento de los equipos electrónicos y de control.

Para reducir estas variaciones se utiliza una etapa de filtrado.

Filtro capacitivo

El método más sencillo consiste en conectar un capacitor en paralelo con la carga.

Su funcionamiento es el siguiente:

1. Cuando la tensión rectificada aumenta, el capacitor se carga hasta un valor próximo al máximo de la tensión disponible.

2. Cuando la tensión comienza a disminuir, el diodo deja de conducir y el capacitor entrega parte de su energía a la carga.

3. Durante este intervalo, la tensión del capacitor disminuye gradualmente.

4. En el siguiente pico de tensión, el capacitor vuelve a cargarse.

Este proceso reduce las variaciones de tensión conocidas como rizado (ripple).

Cuanto mayor sea la capacitancia y menor sea la corriente consumida por la carga, generalmente menor será el rizado.

Otros tipos de filtros:

• Filtro RC: utiliza resistencias y capacitores para reducir las variaciones de tensión.

• Filtro LC: utiliza inductores y capacitores; es especialmente útil en fuentes de mayor potencia.

• Reguladores de tensión: mantienen la tensión de salida dentro de un valor determinado, incluso cuando existen variaciones moderadas en la entrada o en la carga.

Es importante diferenciar el filtrado de la regulación: el filtro reduce el rizado, mientras que el regulador estabiliza el valor de la tensión continua.

4. Parámetros importantes de los rectificadores

Para analizar y seleccionar correctamente un rectificador es necesario conocer los siguientes parámetros:

• Tensión eficaz de entrada (Vrms): valor eficaz de la tensión alterna aplicada al rectificador.

• Tensión pico (Vp): valor máximo que alcanza la señal alterna.

• Tensión de salida DC: valor medio de la tensión rectificada, considerando si existe o no filtrado.

• Corriente de salida: corriente que el rectificador suministra a la carga.

• Tensión inversa máxima (PIV): tensión inversa máxima que debe soportar cada diodo sin entrar en ruptura.

• Corriente directa máxima: corriente que puede conducir el diodo dentro de sus condiciones especificadas.

• Rizado (ripple): variación residual de la tensión continua después del proceso de rectificación y filtrado.

• Frecuencia del rizado: depende de la frecuencia de entrada y del tipo de rectificador.

En un rectificador de media onda, la frecuencia del rizado es igual a la frecuencia de entrada. En los rectificadores de onda completa, la frecuencia del rizado es el doble de la frecuencia de entrada.

Por ejemplo, con una alimentación de 50 Hz:

• Media onda: rizado de 50 Hz.

• Onda completa: rizado de 100 Hz.

5. Aplicaciones de los rectificadores en Electrotecnia Industrial

Los rectificadores son indispensables en numerosos equipos y procesos industriales. Entre sus principales aplicaciones se encuentran:

• Fuentes de alimentación: convierten la tensión alterna de la red en tensión continua para alimentar circuitos electrónicos.

• Sistemas de automatización: suministran corriente continua para sensores, módulos electrónicos, relés y circuitos de control.

• Cargadores de baterías: convierten la corriente alterna en continua para realizar el proceso de carga, incorporando las etapas de control necesarias.

• Variadores de velocidad: forman parte de la etapa de entrada de muchos variadores de frecuencia, convirtiendo la tensión alterna en un enlace de corriente continua que posteriormente es utilizado por un inversor.

• Accionamientos de motores DC: permiten obtener tensión continua para alimentar motores de corriente continua.

• Procesos electroquímicos: se utilizan en sistemas de electrólisis y otros procesos que requieren corriente continua.

6. Actividad práctica

Construir y analizar un rectificador de onda completa en puente utilizando cuatro diodos de silicio, una fuente de tensión alterna aislada de baja tensión y una resistencia como carga.

Realizar las siguientes actividades:

1. Identificar los cuatro diodos y verificar su polaridad.

2. Montar el puente rectificador de acuerdo con el esquema proporcionado.

3. Conectar la carga en los terminales de salida DC.

4. Medir la tensión de salida utilizando un multímetro en la escala de tensión continua (V⎓).

5. Observar la forma de onda de entrada y salida mediante un osciloscopio, si está disponible.

6. Incorporar un capacitor electrolítico en paralelo con la carga, respetando su polaridad y tensión nominal.

7. Comparar la tensión de salida y el rizado antes y después de incorporar el capacitor.

Precauciones:

• Utilizar una fuente alterna aislada y de baja tensión para realizar la práctica.

• No conectar directamente el montaje experimental a la red eléctrica.

• Verificar la polaridad de los diodos y del capacitor electrolítico.

• Comprobar que la tensión nominal del capacitor sea superior a la tensión máxima que recibirá.

• Descargar el capacitor de manera segura antes de manipular el circuito.

Conclusión

Los rectificadores permiten convertir la energía eléctrica alterna en energía continua, haciendo posible la alimentación de una gran variedad de equipos industriales y electrónicos.

El conocimiento de sus diferentes configuraciones, el comportamiento de los diodos y las etapas de filtrado constituye una base importante para comprender el funcionamiento de las fuentes de alimentación, los sistemas de automatización y los equipos electrónicos de potencia utilizados en Electrotecnia Industrial.