ELECTRÓNICA AVANZADA.

No todos los equipos, dispositivos o sistemas que se alimentan con energía eléctrica necesitan la misma precisión y estabilidad en la alimentación para funcionar correctamente. Por dicho motivo existen diferentes procedimientos para obtener una corriente continua de cierto valor.

En lo que respecta a una fuente de alimentación, mientras más etapas tenga dicha fuente, mayor será su rendimiento frente a otras con menos etapas.

Y aunque, no por que necesites hacerlo, en este capítulo abordaremos las etapas de rectificación, filtrado y estabilización. Para terminar, en la sección de practicas, construiremos una fuente de alimentación regulada de 0 a 12V para que el alumno complemente su experiencia en la electrónica de alimentación.

El diodo es un componente electrónico de la familia de los semiconductores, constituido por dos terminales ánodo y cátodo y es el elemento usado para rectificar la corriente alterna de la red eléctrica. Para recordar más sobre el diodo repasa el capítulo de semiconductores del curso de electrónica para novatos.

El origen del diodo se remonta a las antiguas válvulas de vacio en donde se producía un efecto termoiónico en el cual se producía corriente eléctrica por un conductor cuando se polarizaba un terminal triodo de la válvula.

Así pues el diodo conduce la corriente cuando se polariza en un sentido y se bloquea cuando se invierte el sentido de la corriente.

Si utilizamos un voltímetro digital y ponemos una fuente alterna de 1Hz y 10V, veremos como los valores de tensión varían con el tiempo hasta alcanzar un valor y vuelve a cero y empieza otra vez el ciclo.

Como puedes ver en la siguiente imagen, cuando llega el pulso negativo, no es rectificado, sino que el diodo bloquea la tensión inversa. Por lo que a una frecuencia de 1Hz, la tensión varía con cada paso y bloqueo de la corriente alterna.

El anterior circuito se llama rectificador de media onda ya que permite la conducción de corriente solo durante un ciclo de la corriente eléctrica.

Y del capítulo anterior podrás comprobar que como los valores de corriente y tensión por la carga son la mitad del total de alimentación, la tensión y corriente por la carga viene dada por la tensión y corriente media, según las fórmulas siguientes:

Estos valores producirán una corriente y tensión eficaz en la carga igual a:

Factor de forma.

Se define el factor de forma como la relación entre el valor eficaz y el valor medio de dicha magnitud.

El valor de F_F es la unidad, así que mientras más cerca esté mejor será la rectificación de la señal alterna.

No hay que confundir a este valor como factor de rizado que se calcula por la misma fórmula, aunque el factor de rizado se aplica a las componentes resultantes y armónicos de la señal (ruido).

Estos dos factores nos dan una idea del parecido de las formas de sus magnitudes comparadas con una señal continua.

Existe una relación entre ambos factores. El calor desarrollado por una señal ondulatoria es igual que otra que el desarrollado por una señal constante, equivalente al valor medio de dicha señal, mas el desarrollado por las ondulaciones o el rizado. Si aplicamos las tensiones a una misma resistencia obtenemos por el mismo periodo de tiempo la siguiente fórmula:

Y dividiendo los dos miembros por E_ef², tenemos:

Las expresiones expuestas del factor de forma y del factor de rizado, asi como la relación entre ellas, son aplicables no solo a las señales rectificadas sino también a toda magnitud ondulada, direccional o periódica.

Los valores correspondientes para la señal de onda media son los siguientes:

En el siguiente circuito calcula las magnitudes fundamentales.

Como el valor medio de la tensión de la fuente es de 5V de la fórmula FF = Eef ⁄ Emed, como sabemos que el valor del factor de forma para un rectificador de media onda vale 1,57, podemos establecer que la tensión eficaz vale:

E_ef = F_F x E_med

E_ef = 1,57 x 5 = 7,85V

Conocidos los valores eficaces y medios, podemos calcular las intensidades sobre la carga:

I_med = E_med ⁄ R = 5V ⁄ 1KΩ = 5mA

I_ef = E_ef /frasl; R = 7,85V ⁄ 1KΩ =7,8mA

Rectificador de doble onda.

El rectificador de doble onda original requería de un transformador con punto medio tal como muestra la imagen siguiente:

Como puedes observar hay ciertas diferencias entre el primer circuito de onda media y este de onda completa. A parte del transformador con punto medio, este circuito requiere dos diodos rectificadores para convertir el pulso negativo en positivo. Y como durante la carga circula tensión durante más tiempo, la tensión media será el doble respecto a un circuito rectificador de media onda. Además mejorará el factor de forma y el grado de ondulación será menor.

El funcionamiento es sencillo:

Cuando en la bobina superior del secundario es positivo entre los puntos A y B, la parte inferior del secundario es negativa. Por lo tanto conduce el diodo D2 ya que el diodo D3 está polarizado inversamente y se bloquea.

Al cambiar el ciclo en el primario, cambia también en el secundario y ahora la parte inferior del secundario es positiva respecto al punto medio, por lo que la bobina B-C es positiva y hace conducir el diodo D3 y el diodo D2 queda polarizado inversamente.

En todo momento, como la carga está en paralelo con los diodos, ésta recibe paso de corriente rectificada.

Ocurre un curioso efecto en los diodos que se bloquean durante su polarización inversa. Estos tienen que aguantar el doble de las tensiones máximas del secundario ya que el otro diodo está conduciendo. Por tanto, los valores medios que tiene que aguantar el diodo que no conduce es:

Los valores eficaces en un rectificador de doble onda son iguales que los de una señal alterna senoidal, ya que se aplica el mismo tiempo de una señal alterna sobre una carga que los ciclos rectificados. Así que podemos espresar:

En cuanto al factor de forma, la fórmula anterior sigue siendo válida, pero como en un rectificador de doble onda el valor de la tensión eficaz, cambia, la fórmula cambia también:

En el caso del factor de rizado será:

Rectificador en puente.

Este circuito es el más usado en circuitos de rectificación debido a que su transformador no requiere de punto medio para realizar la transformación completa de los ciclos. Este circuito dispone de 4 diodos rectificadores posicionados especificamente para tal manera que por cada semiciclo alterno conducen dos de ellos mientras que los otros dos están polarizados inversamente.

El funcionamiento es muy sencillo ya que cuando en la parte superior del secundario del transformador llega el semiciclo positivo, conducen los diodos D4 polarizado de ánodo a cátodo y el diodo D7. Cuando cambia la polaridad y el secundario es negativo, conducen D5 y D6. En ambos semiciclos se ha producido rectificación de corriente en un sentido único y por la carga se ha producido una circulación de corriente más continuada.

Al ser la señal sobre la carga exactamente igual, las expresiones de los valores medios y eficaces de las tensiones son exactamente igual que en un rectificador de doble onda.

Estabilización Zener.

Bien ahora que hemos producido la rectificación de las ondas senoidales, podemos pasar a la estabilización de la red. Aunque todavía no hemos visto a fondo los filtros pasabajos que reducen al máximo el factor de rizado de la corriente, podemos dejarlo para otros capítulos posteriores y pasar al tema de la estabilización de la tensión de salida, para que así sea lo más estable posible.

El diodo Zener como estabilizador de tensión.

Observa que el estabilizador lo constituye un diodo Zener. Con la estabilización del circuito, el rizado queda prácticamente eliminado, pero además la estabilización del circuito ofrece una salida constante a la carga aunque se produzcan variaciones en la tensión de la red eléctrica o en variaciones del consumo.

Cuando un diodo zener se polariza directamente se comporta igual que un diodo normal, produciéndose en su interior una caida de tensión de aproximadamente 1V. Pero del curso de electrónica para novatos sabes que el diodo zener trabaja en la zona inversa es decir que se puede polarizar inversamente (de cátodo a ánodo), y la diferencia de potencial entre sus terminales se va a mantener constante aunque se produzcan variaciones en la corriente.

Existen muchas variedades de diodos zener que permiten obtener gran variedad de tensiones. Existen una serie de características que has de tener en cuenta a la hora de usar un diodo zener como por ejemplo:

● Tensión Zener: Es la que aparece en el diodo cuando está polarizado inversamente (cátodo positivo respecto al ánodo). Además debes de saber que los valores de V_z no son enteros; así puedes encontrar valores como 4,7V, 5,1V, 6,2V,..., etc. Los valores estables de los zener varían entre 2 y 200V. Además los zener tienen una tolerancia como todos los componentes electrónicos. Dicha tolerancia se expresa en porcentaje sobre el valor nominal, así que un zener de 9,1V podría tener una tolerancia del 5% y dar valores de 8,64V hasta valores de 9,55V. Además el valor constante de tensión va asociado a un valor de corriente.

● Potencia zener: Se refiere al máximo valor que puede disipar el elemento polarizado inversamente y después del cual el diodo podría destruirse por efecto avalancha. Se utiliza un valor de temperatura asociado(25ºC) y 0,5 vatios y 1 vatio para la potencia eléctrica.

● Corriente inversa: Este último valor se utiliza para no sobrepasarlo nunca y es la relación entre la potencia máxima y la tensión zener.

Entre otros factores, necesitas limitar la corriente por el diodo zener para obtener una corriente mínima de zener y la resistencia zener que es la relación entre los valores de tensión y la corriente.

Resistencia de polarización.

Para ello se ha de considerar el valor de tensión más bajo a la salida del filtro. Dicho valor lo obtenemos restándo al mínimo valor medio V_o(min), el valor pico o valor máximo de rizado. Además tenemos que considerar que para ese valor de tensión obtenido es necesario que por el diodo circule una corriente mínima I_z(min) para situarnos debajo del codo de la curva de la avalancha. Así la fórmula siguiente indica la resistencia de polarización.

El funcionamiento es sencillo: el valor medio (v_o) a la salida del filtro debe de ser al menos una vez y media superior al valor de la tensión de estabilización (de la tensión del diodo zener). Esta tensión se reparte entre el diodo zener y la resistencia de polarización. La tensión de salida (V_S) es la tensión zener y practicamente constante. El resto de la tensión provoca una caída de tensión en la resistencia de polarización, de forma que las variaciones de la red eléctrica y de los filtros son absorbidas por dicha resistencia. Por otro lado la corriente que circula por el circuito se reparte entre el diodo y la carga. Si existen variaciones de corriente, dichas variaciones de corriente son absorbidas por el zener dentro del cual, aunque existen variaciones pequeñas de corrientes, apenas modifican la tensión zener y la salida permanecerá constante practicamente.

Resumen.

Para terminar éste capítulo voy a repasar en una tabla los valores medios y eficaces de las señales rectificadas en los diferentes circuitos junto a sus valores de señal senoidal.