Rectificación de diodos: media onda, onda completa, PIV

Rectificación de diodos: media onda, onda completa, PIV

En electrónica, la rectificación es un proceso en el que un diodo rectificador convierte una señal alterna de entrada de CA de ciclo completo en una señal de salida de CC de medio ciclo.

Un solo diodo produce una rectificación de media onda y una red de 4 diodos produce una rectificación de onda completa

En esta publicación analizaremos los procesos de rectificación de diodos de media onda y onda completa, y otras propiedades a través de funciones que varían en el tiempo como la onda sinusoidal y la onda cuadrada. Es decir, a través de tensiones y corrientes que cambian de magnitud y polaridad con respecto al tiempo.



Consideraremos que el diodo es un diodo ideal ignorando si es un diodo de silicio o un germanio, para minimizar las complicaciones en los cálculos. Consideraremos que el diodo es un diodo rectificador estándar con capacidades de rectificación estándar.

Rectificación de media onda

El diagrama más simple que muestra una señal variable en el tiempo aplicada a un diodo se muestra en el siguiente diagrama:

Aquí podemos ver una forma de onda de CA, donde el período T significa un ciclo completo de la forma de onda, que es el valor promedio o la suma algebraica de las porciones o las jorobas por encima y por debajo del eje central.

Este tipo de circuito en el que se aplica un solo diodo rectificador con una entrada de señal de CA sinusoidal variable en el tiempo para generar una salida de CC que tiene un valor de la mitad de la entrada se llama rectificador de media onda . El diodo se denomina rectificador en este circuito.

Durante el período entre t = 0 → T / 2 de la forma de onda de CA, la polaridad del voltaje vi crea una 'presión' en la dirección que se muestra en el diagrama a continuación. Esto permite que el diodo se encienda y conduzca con una polaridad como se indica justo encima del símbolo del diodo.

Región de conducción de diodos (0 → T / 2).

Dado que el diodo está conduciendo completamente, la sustitución del diodo por un cortocircuito producirá una salida como se muestra en la imagen del lado derecho de arriba.

Sin duda, la salida generada parece ser una réplica exacta de la señal de entrada aplicada sobre el eje central de la forma de onda.

Durante el período T / 2 → T, la polaridad de la señal de entrada vi se vuelve negativa, lo que hace que el diodo se apague, dando como resultado un circuito abierto equivalente a través de los terminales del diodo. Debido a esto, la carga no puede fluir a través de la ruta del diodo durante el período T / 2 → T, lo que hace que vo sea:

vo = iR = 0R = 0 V (usando la ley de Ohm). La respuesta se puede visualizar en el siguiente diagrama:

En este diagrama, podemos ver que la salida de CC Vo del diodo produce una región positiva promedio neta por encima del eje, para el ciclo completo de entrada, que se puede determinar mediante la fórmula:

Vdc = 0.318 Vm (media onda)

La entrada vi y los voltajes vo de salida durante el proceso de rectificación de media onda del diodo se presentan en la siguiente figura:

A partir de los diagramas y explicaciones anteriores, podemos definir la rectificación de media onda como un proceso en el que la mitad del ciclo de entrada es eliminada por el diodo en su salida.

Usando un diodo de silicio

Cuando se utiliza un diodo de silicio como diodo rectificador, dado que tiene una característica de caída de voltaje directa de VT = 0,7 V, genera una región de polarización directa como se muestra en la siguiente figura:

El VT = 0,7 V significa que ahora la señal de entrada debe ser de al menos 0,7 V para garantizar que el diodo se encienda correctamente. En caso de que la entrada VT sea inferior a 0,7 V, simplemente no se encenderá el diodo y el diodo continuará en su modo de circuito abierto, con Vo = 0 V.

Mientras que el diodo conduce durante el proceso de rectificación, genera una salida de CC que lleva un nivel de voltaje fijo para la diferencia de voltaje vo - vi, igual a la caída directa de 0.7 V discutida anteriormente. Podemos expresar este nivel fijo con la siguiente fórmula:

vo = vi - VT

Esto produce una reducción en la tensión de salida media por encima del eje, provocando una ligera reducción neta de la salida rectificada del diodo.

Refiriéndonos a la figura anterior, si consideramos que Vm (nivel de señal pico) es suficientemente alto que el VT, tal que Vm >> VT, podemos evaluar el valor de salida de CC promedio del diodo usando la siguiente fórmula, con bastante precisión.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Más precisamente, si el pico de CA de entrada es suficientemente más alto que VT (caída directa) del diodo, entonces simplemente podemos usar la fórmula anterior para estimar la salida de CC rectificada del diodo:

Vdc = 0,318 Vm

Ejemplo resuelto para rectificador de medio puente

Problema:

Evalúe la salida vo y averigüe la magnitud de CC de la salida para el diseño del circuito que se muestra a continuación:

Solución: Para la red de circuitos anterior, el diodo se encenderá para la parte negativa de la señal de entrada y vo será como se indica en el siguiente esquema.

Durante todo el período del ciclo de entrada de CA, la salida de CC será:

Vdc = 0.318Vm = - 0.318 (20 V) = - 6.36 V

El signo negativo indica la polaridad de la salida DC que es opuesta al signo provisto en el diagrama bajo el problema.

Problema # 2: Resuelva el problema anterior considerando que el diodo es un diodo de silicio.

En el caso de un diodo de silicio, la forma de onda de salida se vería así:

Y la CC de salida se puede calcular como se explica a continuación:

V CC ≅ - 0,318 (Vm - 0,7 V) = - 0,318 (19,3 V) ≅ - 6,14 V

La caída en la tensión de CC de salida debido al factor de 0,7 V es de alrededor de 0,22 V o aproximadamente 3,5%

Rectificación de onda completa

Cuando se utiliza una señal sinusoidal de CA como entrada para la rectificación, la salida de CC se puede mejorar al 100% mediante un proceso de rectificación de onda completa.

El proceso más conocido y sencillo para lograrlo es mediante el empleo de un puente rectificador red como se muestra a continuación.

red de puente rectificador completo con 4 diodos

Cuando el ciclo de entrada positivo avanza a través del período t = 0 a T / 2, la polaridad de la señal de CA de entrada a través del diodo y la salida del diodo son las que se representan a continuación:

Aquí, podemos ver que debido a la disposición especial de la red de diodos en el puente, cuando D2, D3 conducen, los diodos opuestos D1, D4 permanecen polarizados invertidos y en estado APAGADO.

La CC de salida neta generada a partir de este proceso de rectificación a través de D2, D3 se puede ver en el diagrama anterior. Dado que hemos imaginado que los diodos son ideales, la salida es vo = vin.

Ahora, del mismo modo, para el semiciclo negativo de la señal de entrada, los diodos D1, la conducción D4 y los diodos D2, D3 pasan a un estado APAGADO, como se ilustra a continuación:

Podemos ver claramente que la salida del puente rectificador ha convertido los semiciclos positivo y negativo de la entrada de CA en dos semiciclos de CC por encima del eje central.

Dado que esta región por encima del eje es ahora dos veces más que la región obtenida para una rectificación de media onda, la CC de salida también se convertirá en dos veces la magnitud, calculada con la siguiente fórmula:

Vdc = 2 (0,318 Vm)

o

Vdc = 0,636 Vm (onda completa)

Como se muestra en la figura anterior, si en lugar de un diodo ideal se usa un diodo de silicio, aplicar la ley de voltaje de Kirchhoff sobre la línea de conducción nos daría el siguiente resultado:

vi - VT - vo - VT = 0 y vo = vi - 2VT,

Por lo tanto, el pico de voltaje de salida vo será:

Vomax = Vm - 2VT

En una situación en la que V >> 2VT, podemos usar nuestra ecuación anterior para obtener el valor promedio con un grado de precisión razonablemente alto:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Una vez más, si tenemos Vm significativamente mayor que 2VT, el 2VT puede simplemente ignorarse y la ecuación se puede resolver como:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (voltaje inverso máximo)

El voltaje inverso máximo o la clasificación (PIV), que a veces también se denomina clasificación de voltaje inverso máximo (PRV) de un diodo, se convierte en un parámetro crucial al diseñar circuitos rectificadores.

Es básicamente un rango de voltaje de polarización inversa del diodo que no debe excederse, de lo contrario, el diodo puede romperse al pasar a una región llamada región de avalancha zener.

Si aplicamos la ley de voltaje de Kirchhoff a un circuito rectificador de media onda como se muestra a continuación, simplemente explica que la clasificación PIV de un diodo debe ser mayor que el valor pico de la entrada de suministro utilizada para la entrada del rectificador.

Para un rectificador de puente completo también, el cálculo de la clasificación PIV es el mismo que el del rectificador de media onda, es decir:

PIV ≥ Vm, ya que Vm es el voltaje total que se aplica a la carga conectada como se muestra en la siguiente figura.

Ejemplos resueltos para red de rectificador de puente completo

Determine la forma de onda de salida para la siguiente red de diodos y también calcule el nivel de CC de salida y el PIV seguro para cada diodo en la red.

Solución: Para el semiciclo positivo, el circuito se comportaría como se muestra en el siguiente diagrama:

Podemos volver a dibujar esto de la siguiente manera para una mejor comprensión:

Aquí, vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (máx.) = 1/2 (10 V) = 5 V

Para el semiciclo negativo, la función de conducción de los diodos se puede intercambiar, lo que producirá una salida vo como se muestra a continuación:

La ausencia de dos diodos en el puente da como resultado la reducción de la salida de CC con una magnitud:

Vdc = 0,636 (5 V) = 3,18 V

Esto es lo mismo que habríamos obtenido de un rectificador de medio puente con la misma entrada.

El PIV será igual al voltaje máximo generado en R, que es 5 V, o la mitad del necesario para una media onda rectificada con la misma entrada.




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