Comenzando en la Electrónica: Rectificadores

En la edición de mayo/junio de Elektor, dábamos la bienvenida al diodo como primer representante de la familia de los semiconductores, y sin él no se puede pensar en la electrónica actual. Ahora vamos a calcular con rectificadores. Después de todo, no podemos simplemente soldar partes y esperar que funcione. Primero echemos un vistazo a nuestro rectificador de media onda (Figura 1).

Cuanto mayor sea la capacitancia del condensador electrolítico, menos caerá el voltaje durante los semiperíodos negativos del voltaje de CA; y también, a medida que la resistencia se vuelve más pequeña (y, por lo tanto, la corriente consumida por la carga aumenta), el voltaje caerá más durante los semiperíodos negativos ("colapso", dice el ingeniero electrónico). Podemos poner esto en una fórmula:

Hemos supuesto que la corriente es constante. Supongamos ahora que tenemos un transformador de 15 V, un rectificador de media onda y una carga con un consumo de corriente de 1 A. El voltaje proporcionado por el rectificador debe estabilizarse mediante un IC regulador que requiere un voltaje de entrada mínimo de 18 V para proporcionar un voltaje de salida estable de 15 V. (Volveremos a ese IC en una edición futura). En ese caso, ¿qué tan grande debe ser el capacitor? Primero, tenemos que calcular el valor máximo del voltaje de CA; en un artículo anterior de esta serie, vimos que para el valor pico se aplica:

Para nuestra comodidad, restamos 0,7 V de ese voltaje máximo (que es el voltaje directo del diodo de silicio utilizado como rectificador):

En cuanto a los perfeccionistas entre ustedes, hemos redondeado el resultado a un decimal; eso es lo suficientemente preciso en este caso. Dado que el IC necesita un voltaje de entrada de al menos 18 V (podemos encontrar este voltaje de entrada mínimo en la hoja de datos del IC), se permite que el voltaje caiga un máximo de 2,5 V durante un período. Reescribimos la fórmula para el voltaje a través del capacitor y sumamos los valores de corriente, voltaje y frecuencia:

El siguiente valor estándar más grande sería 10,000 µF, y para una corriente de solo 1 A, ese es un capacitor bastante 'voluminoso'. En teoría, existen dos métodos para lograr un valor más bajo (y, por lo tanto, un condensador electrolítico más pequeño y económico):

Esta rectificación de onda completa se discutirá más adelante; a continuación nos ocuparemos primero de 'aumentar el voltaje del transformador'. Si utilizamos un transformador de 18 V en lugar de la versión de 15 V del ejemplo, mediremos una tensión de pico de unos 24,7 V en el diodo, lo que significa una diferencia de tensión máxima permitida de 6,7 V. Por lo tanto, la selección del condensador puede ser correspondientemente más pequeño; el valor calculado es de aproximadamente 3000 µF y el siguiente valor estándar más grande es 3300 µF o 4700 µF. Como dijo una vez un famoso filósofo del fútbol holandés (Johan Cruijff), cada ventaja tiene su desventaja: esta solución implica un mayor consumo de energía y también una mayor disipación de calor en el regulador de voltaje. Para ello, vamos a echar un vistazo aFigura 2.

El componente con el número de pieza 7815 es un regulador de voltaje fijo. Por el momento, no estamos interesados ​​en cómo funciona esto. Lo que importa aquí es que este IC convierte un voltaje de entrada de CC variable (dentro de ciertos límites) en un voltaje de salida de CC (casi) constante. Lo siguiente se aplica a la potencia de salida en ambos casos (el ejemplo con el transformador de 15 V y el ejemplo con el transformador de 18 V):

La disipación en el IC (la potencia convertida en calor en el IC) es igual a la diferencia entre el voltaje de entrada y el de salida multiplicado por la corriente (en muchos casos, y también aquí, podemos despreciar el propio consumo de energía del IC).

Sin duda, el voltaje de entrada del IC no es constante; en este caso, usamos la media aritmética del voltaje de entrada mínimo y máximo (que es lo suficientemente preciso para nuestros propósitos). Como resultado, la pérdida de energía en el regulador de voltaje aumenta alrededor del 50 %; eso es mucho exceso de calor que tiene ser disipado. El hecho de que el transformador ahora tenga que suministrar 22 W en lugar de 20 W (es decir, incluidas las pérdidas en el diodo y el regulador de voltaje) realmente no importa, a menos que nos obligue a usar un transformador un poco más grande.

Hemos mostrado esquemáticamente el rectificador de onda completa enfigura 3.

Gracias al ingenioso circuito con cuatro diodos (también llamado puente rectificador o circuito de Graetz), ahora se utilizan ambos semiperíodos de la tensión de CA sinusoidal en la entrada. Durante el semiperíodo positivo, la corriente de carga del capacitor electrolítico fluye a través de los diodos en la parte superior derecha e inferior izquierda, y durante el semiperíodo negativo a través de los diodos en la parte inferior derecha y superior izquierda. La ventaja es que el capacitor electrolítico se carga con el doble de frecuencia y, por lo tanto (estimado aproximadamente), solo necesita tener aproximadamente la mitad de "grosor". Esto resulta en elFigura 4curvas de tensión: por encima de la tensión de entrada, en el medio la tensión en la carga sin el condensador y por debajo de la tensión en el condensador.

Para la variación de voltaje a través del capacitor de compensación del rectificador de onda completa, se aplica lo siguiente:

Calculemos ahora nuestro ejemplo anterior (con el transformador de 15 V) con un rectificador de onda completa. Debido a la caída de voltaje adicional en el segundo diodo, ahora tenemos un voltaje máximo de:

Esto nos da un valor para el condensador electrolítico de:

El siguiente valor estándar más grande sería 6800 µF, pero es cuestionable si está (ampliamente) disponible. Si no, tenemos que utilizar un condensador electrolítico de 10.000 µF. Con un voltaje de transformador de 18 V, obtenemos un valor calculado de 1700 µF y un valor estándar de 2200 µF, que es al menos un tamaño más pequeño. Con respecto a nuestra expectativa inicial de que el capacitor de compensación debería tener solo la mitad del tamaño, la tensión directa de los diodos rectificadores cancela esto. Está claro que la corriente a través de la carga juega un papel decisivo: cuanto mayor sea la corriente, mayor será el capacitor. Esta es la razón por la que a menudo encontramos una gran cantidad de grandes condensadores electrolíticos en la fuente de alimentación de los amplificadores de potencia pesados.

Para los circuitos con amplificadores operacionales ("op-amps"), a menudo necesitamos un voltaje de suministro simétrico; en otras palabras, necesitamos voltajes positivos y negativos iguales con respecto a la tierra común. En principio, podemos lograr esto con dos transformadores, o con un transformador con dos devanados secundarios, seguido de dos rectificadores. También se puede simplificar: es posible derivar un voltaje de CC positivo y negativo de un solo voltaje de CA, como se muestra en lafigura 5 . De hecho, usamos dos rectificadores de media onda, uno que utiliza los semiperíodos positivos del voltaje de CA de entrada sinusoidal y el otro los semiperíodos negativos. Para el cálculo de los condensadores electrolíticos, se aplican las mismas ecuaciones que para los rectificadores de media onda "normales".

Sin embargo, el tamaño del transformador ahora requiere un poco más de atención. Supongamos que necesitamos una tensión de alimentación simétrica de ±15 V para una corriente de 1 A. Estas tensiones se estabilizan mediante reguladores de tensión. El transformador debe ser capaz de entregar al menos 20 W (1 A a un voltaje máximo de aproximadamente 20 V), pero eso es para cada medio período. En total, el transformador debe poder entregar al menos 40 W. Eso es todo por ahora. En el próximo episodio, multiplicaremos los voltajes.

Nota del editor: la serie de artículos, "Comenzando en la electrónica", se basa en el libro Basiskurs Elektronik, de Michael Ebner, que fue publicado en alemán y holandés por Elektor.

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