DIODOs (2010)

5/7/2018 DIODOs (2010) - slidepdf.com

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2 DIODOS Y APLICACIONES

2.1 Diodos rectificadores

Los diodos rectificadores son un grupo importante de los diodos semiconductores. Además de larectificación, hay otros usos a los cuales puede aplicarse este tipo de diodos. De hecho, muchos

diodos en esta categoría se conocen como diodos de propósito general. En esta sección ustedaprenderá que la curva característica muestra gráficamente la manera en que funciona el diodo, y

conocerá el símbolo que se utiliza en los esquemas de circuitos para representar a los diodos. Se presentan tres aproximación es a los diodos. En cada una, el diodo se representa a un nivel de

exactitud distinto, de modo que sea posible usar el más apropiado para una situación dada. Enalgunos casos, todo lo que se requiere es el nivel más bajo de exactitud y detalles adicionales

solamente complican la situación. En otros casos se requiere el máximo nivel de exactitud, a finde tomar en cuenta todos los factores.

2.1.1 Curva característica de los diodos

Como aprendió anteriormente, un diodo conduce corriente cuando está polarizado en directa si elvoltaje de polarización excede al potencial de barrera e impide el paso de corriente cuando está

polarizado en inversa si el voltaje de polarización es inferior al voltaje de ruptura. En la figura 2-1 se muestra la curva característica de un diodo, que es una gráfica de corriente contra voltaje en

un diodo. El primer cuadrante de la gráfica representa la condición de polarización en directa.Como puede observarse, esencialmente no hay corriente en directa ( I f ) para voltajes en directa

(V f ) abajo del potencial de barrera. Cuando el voltaje en directa se aproxima al valor del potencial de barrera (típicamente de 0.7 V para el silicio y 0.3 V para el germanio), la corriente

comienza a crecer. Una vez que el voltaje en directa alcanza al potencial de barrera, la corriente

aumenta drásticamente y debe limitarse por una resistencia en serie. El voltaje a través del diodo polarizado en directa permanece aproximadamente igual al potencial de barrera, aunque decreceligeramente con corriente en directa.



Figura 2-1 Curva característica de un diodo

El tercer cuadrante de la gráfica representa la condición de polarización en inversa. Cuando elvoltaje inverso (V R ) crece hacia la izquierda, la corriente permanece próxima a cero hasta que se

alcanza el voltaje de ruptura (V BR ). Cuando ocurre ruptura existe una gran corriente en inversaque, si no se limita, es capaz de destruir el diodo. Típicamente, el voltaje de ruptura es mayor que

50 V para la mayor parte de diodos rectificadores. Los diodos rectificadores no deben operarseen ruptura inversa.

2.1.2 Símbolo del diodoLa figura 2-2 es el símbolo normal para representar un diodo de propósito general. La flechaapunta en la dirección de la corriente convencional. Las dos terminales del diodo son el ánodo y

el cátodo. Cuando el ánodo es positivo con respecto al cátodo, el diodo se halla polarizado endirecta y la corriente fluye del ánodo al cátodo, como se muestra en la figura 2-2(b). En caso de

tener cualquier duda acerca de las polaridades de la terminal, consulte siempre el libro de datosdel fabricante. Recuerde que cuando el diodo se encuentra polarizado en directa, el potencial de

barrera V B siempre aparece entre el ánodo y el cátodo, como se indica en la figura. Cuando elánodo es negativo con respecto al cátodo, el diodo se halla polarizado en inversa, como se ilustra

en la figura 2-2(c). El voltaje de polarización de la batería se denota por V BB y no es el mismoque el potencial de barrera.



(a) Símbolo

(b) Polarización en directa(c) Polarización en inversa

Figura 2-2 Diodo de propósito general y condiciones de polarización en directa y

polarización en inversa. La resistencia limita la corriente directa a un valor seguro.

En la figura 2-3(a) se muestran algunos diodos comunes a fin de ilustrar la variedad deestructuras físicas. En la figura 2-3(b) se ilustra la identificación de terminales.

Figura 2-3 Diodos típicos. (a) Ejemplos de identificación de terminales (A es el ánodo; K es

el cátodo), (b) Algunos tipos de encapsulados

2.1.3 Prueba del diodo con un multímetro

La batería interna en óhmetros analógicos polariza en directa o en inversa al diodo, permitiendo

una verificación rápida y simple para el funcionamiento idóneo del diodo. Muchos multímetrosdigitales tienen una posición de prueba para diodos.



Para comprobar al diodo en la dirección positiva, la punta de medición positiva se conecta alánodo y la punta de medición negativa se conecta al cátodo, como se muestra en la figura 2-4(a).

Cuando el diodo está polarizado en directa, su resistencia interna es baja (usualmente de 100 Ω omenos). Al invertir la posición de las puntas de medición, como se observa en la figura 2-4(b), la

batería interna del óhmetro polariza en inversa al diodo y se indica un valor de resistencia muy

grande (idealmente infinito). La unión pn queda en corto circuito si se indica una resistencia bajaen ambas condiciones de polarización y abierta si se lee una resistencia muy alta para ambas pruebas.

(a) La verificación en directa con unmedidor proporciona un valor de tensión fijo

(b) La verificación en inversa con un

medidor digital proporciona tensión cero.

Figura 2-4 Comprobación del funcionamiento de un diodo por medio de un multímetro.

2.1.4 Aproximaciones al diodo

El modelo ideal La manera más sencilla de visualizar la operación del diodo es concebirlo como

un interruptor. Al estar polarizado en directa, el diodo actúa como un interruptor cerrado (en ON)y al estar polarizado en inversa opera como un interruptor abierto (en OFF), como se observa en

la figura 2-5. En la parte (c) se muestra la curva característica para esta aproximación. Observeque el voltaje en directa y la corriente en inversa siempre son iguales a cero. Por supuesto, este

modelo ideal desprecia los efectos del potencial de barrera, de las resistencias internas y de otros parámetros, aunque en muchos casos es suficientemente exacto, especialmente cuando el voltaje

de polarización es por lo menos 10 veces mayor que el potencial de barrera.



(a) Polarización en directa (b) Polarización en inversa

(c) Curva característica ideal

Figura 2-5 Aproximación de interruptor ideal para el diodo.

El modelo de potencial de barrera El siguiente nivel superior de exactitud es el modelo de

potencial de barrera. En esta aproximación, el diodo polarizado en directa se representa como uninterruptor cerrado en serie con una pequeña "batería" igual al potencial de barrera V B (de 0.7 V para el Si y 0.3 V para el Ge), como se muestra en la figura 2-6(a). El extremo positivo de la

batería equivalente es hacia el ánodo. No olvide que el potencial de barrera no puede medirserealmente con un voltímetro, sino que sólo tiene el efecto de batería al aplicarse polarización en

directa. El diodo polarizado en inversa se representa por un circuito abierto, como en el casoideal, pues el potencial de barrera no afecta la polarización en inversa. Lo anterior se muestra en

la parte (c). La curva característica para este modelo se muestra en la figura 2-6(c).



(a) Polarización en directa (b) Polarización en inversa

(c) Curva característicaFigura 2-6 Aproximación al diodo incluyendo el potencial de barrera

El modelo completo En este punto se considerará un nivel más de exactitud. En la figura 2-7(a)se observa el modelo del diodo polarizado en directa junto con el potencial de barrera y la

resistencia en directa (volumétrica) de bajo valor. En la figura 2-7(b) se muestra cómo la elevadaresistencia en inversa afecta al modelo con polarización en inversa. La curva característica se

muestra en la figura 2-7(c). Otros parámetros, como capacitancia de unión y voltaje de ruptura,adquieren importancia sólo bajo ciertas condiciones de operación y se considerarán cuando sea

apropiado.



(a) Polarización en directa

(b) Polarización en inversa

(c) Curva característica

Figura 2-7 Aproximación al diodo incluyendo el potencial de barrera, la resistencia directa y la

resistencia inversa.

2.2 Rectificadores de media onda

Debido a su capacidad para conducir corriente en una dirección e impedir el paso de corriente en la

dirección opuesta, los diodos se utilizan en circuitos denominados rectificadores que conviertenvoltaje de ca en voltaje de cc. Los rectificadores se encuentran en todas las fuentes de alimentación

de cc que operan a partir de una fuente de voltaje de ca. Una fuente de poder es una parte esencial detodos los sistemas electrónicos, desde el más simple hasta el más complicado. En esta sección se

estudiará el tipo más elemental de rectificador: el de media onda. Este material le permitirá continuar con el estudio del rectificador de onda completa en la siguiente sección.

En la figura 2-8 se ilustra el proceso denominado rectificación de media onda. En la parte (a), una

fuente de ca está conectada a una resistencia de carga a través de un diodo ideal. A continuación se



analizará qué sucede durante un ciclo del voltaje de entrada. Cuando la onda sinusoidal de entrada sehace positiva, el diodo se polariza en directa y conduce corriente a la resistencia de carga, como se

muestra en la parte (b). La corriente produce un voltaje en la carga que tiene la misma forma que elmedio ciclo positivo del voltaje de entrada. Cuando el voltaje de entrada se hace negativo durante la

segunda mitad de su ciclo, el diodo se polariza en inversa. No hay corriente, así que el voltaje en el

resistencia de carga es igual a 0 V, como se muestra en la parte (c). El resultado neto es que sólo losmedios ciclos positivos del voltaje de entrada de ca aparecen en la carga, haciendo que la salida seaun voltaje de cc con variaciones, como se ilustra en la parte (d).

(a) Circuito rectificador de media onda

(b) Operación durante el semiciclo positivo del voltaje de entrada

(c) Operación durante el semiciclo negativo del voltaje de entrada

(d) Voltaje de salida del rectificador de media onda para tres ciclos de entrada.

Figura 2-8 Operación del rectificador de media onda. Se considera que el diodo es ideal.



2.2.1 Valor promedio de la salida de media onda

El valor promedio (cc) de la salida rectificada de media onda se determina calculando el área bajo lacurva durante un ciclo completo, como se ilustra en la figura 2-9. Usando cálculo integral para

obtener el área bajo el medio ciclo y dividiendo después entre el periodo, se obtiene: V PROM =área/periodo = V p/π, en donde V es el voltaje peak.

PROM

V V

(2.1)

El valor promedio es el valor que se leería en un voltímetro de cc.

Figura 2-9 Valor promedio de una señal rectificada de media onda.

Ejemplo 2.1

¿Cuál es el valor promedio (cc) de la forma de onda del voltaje rectificado de media onda que semuestra en la figura 2-10?

Figura 2-10

Solución:

10031,83V

p

PROM

V V

Ejercicio de práctica 1

Determine el valor promedio del voltaje de media onda si su amplitud peak es 12 V.

2.2.2 Efecto del potencial de barrera sobre la salida rectificada de media onda

En la exposición anterior se consideró que el diodo era ideal. Cuando se toma en cuenta el potencial

de barrera del diodo, he aquí lo que sucede: durante el medio ciclo positivo, el voltaje de entradadebe rebasar al potencial de barrera antes de que el diodo se polarice en directa. Para un diodo de

silicio, lo anterior origina una salida de media onda cuyo valor peak es 0.7 V menor que el valor peak de la entrada (0.3 V menor para un diodo de germanio), como se muestra en la figura 2-11. Las

expresiones para el voltaje de salida peak son, para el silicio

( ) 0,7V p ent p sal V V (2.2)

y, para el germanio,



0,3V p sal p ent

V V (2.3)

Figura 2-11 Efecto del potencial de barrera sobre el voltaje de salida rectificado de media onda

(se muestra el diodo de silicio).

Al trabajar circuitos con diodos, a menudo es práctico despreciar el efecto del potencial de barreracuando el valor peak del voltaje aplicado es mucho mayor (por lo menos 10 veces, aunque algunas

personas lo usan 100 veces mayor) que el potencial de barrera. Como ya se mencionó, aquí siemprese usarán diodos de silicio y se tomará en cuenta el potencial de barrera, a menos que se estipule otra

cosa.

Ejemplo 2.2Trace los voltajes de salida para cada circuito rectificador para el voltaje de entrada indicado, como

se muestra en la figura 2-12. Cada diodo es de silicio y debe tomarse en cuenta el potencial de barrera.

Figura 2-12

Solución:

El voltaje de salida peak para el circuito (a) es

V p = 5 - 0,7 = 4,3 VEl voltaje de salida peak para el circuito (b) es

V p(sal) = 100 - 0,7 = 99,3 VEstas salidas se muestran en la figura 2-13. Observe que el potencial de barrera pudo haberse

despreciado en el circuito (b), con un error muy pequeño (0.7 %), pero si se despreciara en (a),entonces se obtendría un error significativo. (14%).



Figura 2-13 Salidas de los circuitos de la figura 2-12.

Ejercicio de práctica 2.2Determine los voltajes de salida peak para los rectificadores de la figura 2-12 si la entrada peak en la

parte (a) es 3 V y la entrada peak en la parte (b) es 210 V.

2.2.3 Rectificador de media onda con entrada acoplada por transformador

Con frecuencia se usa un transformador para acoplar los voltajes de entrada, provenientes de lafuente, al circuito rectificador, como se muestra en la figura 2-15. El acoplamiento por

transformador presenta dos ventajas: primera, permite que el voltaje de la fuente se eleve o reduzcasegún se requiera y segunda, la fuente de alimentación de ca está aislada eléctricamente del circuito

rectificador, reduciendo así el riesgo de choque.

Figura 2-15 Rectificador de media onda con entrada acoplada por transformador.

De la teoría básica de los circuitos de ca, el voltaje del secundario (salida) del transformador es igual

a la razón de vueltas ( N 2/ N l) multiplicada por el voltaje primario (entrada).

22 1

1

N V V

N

(2.4)

Si N2 > N1 entonces el voltaje del primario es menor que el del secundario. Si N 2 < N 1 entonces elvoltaje del primario es mayor que el del secundario. Si N 2 = N 1 entonces V 2 = V 1

Ejemplo 2.3

Determine el valor peak del voltaje de salida para el circuito de la figura 2-16.



Figura 2-16

Solución:

La razón de vueltas es

2

1

10,5

2

N

N

El voltaje peak del secundario es

2

2 1

1

0,5 250 125V p p

N V V

N

El voltaje de salida peak rectificado es

125 0,7 124,3V p sal

V

Ejercicio de práctica 2.3(a) Determine el valor peak del voltaje de salida para el circuito de la figura 2-16 si la razón de

vueltas es 1:2 y V p(ent) = 50 V.(b) Describa el voltaje de salida si se da vuelta al diodo.

2.3 Rectificadores de onda completa

Aunque los rectificadores de media onda tienen algunas aplicaciones, el tipo de rectificador másusado en fuentes de alimentación de cc es el de onda completa. En esta sección, usted aplicará lo

aprendido sobre rectificación de media onda y lo ampliará a rectificadores de onda completa. Ustedaprenderá sobre los dos tipos de rectificadores de onda completa: los de derivación central y los del

tipo puente.

La diferencia entre rectificación de onda completa y de media onda es que el rectificador de onda

completa permite corriente unidireccional hacia la carga durante todo el ciclo de entrada, mientrasque el rectificador de media onda permite lo anterior sólo durante medio ciclo. El resultado de larectificación de onda completa es un voltaje de salida de cc que varía cada medio ciclo de entrada,

como se muestra en la figura 2-17.



Figura 2-17 Rectificación de onda completa.

En virtud de que el número de ciclos positivos que constituyen el voltaje rectificado de ondacompleta es el doble que el del voltaje de media onda, entonces el valor promedio de un voltaje

rectificado de onda completa es el doble del de media onda, como se expresa en la ecuación:

2 PROM

V V

(2.5)

Ejemplo 2.4

Encuentre el valor promedio del voltaje rectificado de onda completa de la figura 2-18.

Figura 2-18

Solución:

2 2 159,55V

p

PROM

V V

Ejercicio de práctica 2-4

Determine el valor promedio del voltaje rectificado de onda completa si su peak es de 155 V. ¿Cómodebe ajustarse un multímetro a fin de medir este valor?

2.3.1 El rectificador de onda completa con derivación central

El rectificador de onda completa con derivación central usa dos diodos conectados al secundario de

un transformador con derivación central, como se muestra en la figura 2-19. La señal de entrada seacopla a través del transformador al secundario con derivación central. La mitad del voltaje del

secundario total aparece entre el punto de derivación central y cada extremo del devanadosecundario, como se ilustra.



Figura 2-19 Rectificador de onda completa con derivación central (DC).

Para un semiciclo positivo del voltaje de entrada, en la figura 2-20(a) se muestran las polaridades de

los voltajes del secundario. Esta condición polariza en directa el diodo superior D1 y polariza eninversa al diodo inferior D2 La trayectoria de la corriente es a través del diodo D1 y de la resistencia

de carga, como se indica. Para un medio ciclo negativo del voltaje de entrada, en la figura 2-20(b) semuestran las polaridades de los voltajes del secundario. Esta condición polariza en inversa a D1 y endirecta a D2 La trayectoria de la corriente es a través de D2 y de la resistencia de carga, como se

indica.

(a) Durante los semiciclos positivos, D1, está polarizado en directa y D2 está polarizado en inversa

(b) Durante los semiciclos negativos, D2 está polarizado en directa y D1 está polarizado en inversa



Figura 2-20 Operación básica de un rectificador de onda completa con derivación central.

Observe que la corriente a través de la resistencia de carga está en la misma dirección durante

todo el ciclo de entrada.

Debido a que la corriente de salida durante ambos medio ciclos, positivo y negativo, de la entrada

fluye en la misma dirección a través de la carga, el voltaje de salida desarrollado a través de laresistencia de carga es uno de cc rectificado de onda completa.

2.3.2 Efecto de la razón de vueltas sobre el voltaje de salida en ondacompleta

Si la relación de vueltas de transformador es 1, entonces el valor peak del voltaje de salida

rectificado es igual a la mitad del valor peak del voltaje de entrada primario menos el potencial de barrera (que algunas veces se denominará caída en el diodo), como se ilustra en la figura 2-21. Lo

anterior se debe a que la mitad del voltaje de entrada aparece en cada mitad del devanadosecundario.

Con el objeto de obtener un voltaje de salida igual a la entrada (menos el potencial de barrera), esnecesario usar un transformador elevador, con relación de vueltas igual a 2, como se muestra en la

figura 2-22. En este caso, el voltaje del secundario total V 2 es el doble del primario (2V 1), de modoque el voltaje a través de cada mitad del secundario es igual a V 1.

Figura 2-21 Rectificador de onda completa con derivación central con relación de vueltas del

transformador igual a 1. V p(1) es el valor peak del voltaje primario



Figura 2-22 Rectificador de onda completa con derivación central con razón de vueltas del

transformador igual a 2.

En cualquier caso, el voltaje de salida de un rectificador de onda completa con derivación centralsiempre es igual a la mitad del voltaje total del secundario, sin importar cuál sea la razón de vueltas.

2

2 sal

V V (2.6)

Para incluir la caída en el diodo V B, réstela de V 2/2.

2

2 sal B

V V V (2.7)

2.3.3 El rectificador tipo puente de onda completa

El rectificador tipo puente para onda completa usa cuatro diodos, como se muestra en la figura 2-

26. Cuando el ciclo de entrada es positivo como en la parte (a), los diodos D1 y D2 se polarizan endirecta y conducen corrientes en la dirección mostrada. A través de RL se desarrolla un voltajesemejante al del semiciclo positivo de entrada. Durante este tiempo, los diodos D 3 y D4 se polarizan

en inversa. Cuando el ciclo de entrada es negativo, como en la parte (b), los diodos D3 y D4 se polarizan en directa y conducen corriente en la misma dirección por R L como durante el semiciclo

positivo. Durante el semiciclo negativo, D1 y D2 se polarizan en inversa. Como resultado de estaacción, en RL aparece un voltaje de salida rectificado de onda completa.

(a) Durante los semiciclos positivos de la entrada, Dl y D2 están polarizados en directa y conducen

corriente: D3 y D4 están polarizados en inversa



(b) Durante los semiciclos negativos, D3 y D4 están polarizados en directa y conducen corriente: D1

y D2 están polarizados en inversa.

Figura 2-26 Operación de un rectificador de onda completa.

2.3.4 Voltaje de salida del puente

En la figura 2-27(a) se muestra un rectificador tipo puente con entrada acoplada por transformador.Durante el semiciclo positivo del voltaje del secundario total, los diodos D1 y D2 se polarizan en

directa. Despreciando las caídas en los diodos, el voltaje del secundario V2 aparece en la resistenciade carga. Lo mismo es cierto cuando los diodos D 3 y D4 se polarizan en directa durante el semiciclo

negativo.

2 sal V V (2.8)

Como puede observarse en la figura 2-27(b), dos diodos quedan siempre en serie con la resistencia

de carga durante los semiciclos positivos y negativos. Si se toman en cuenta estas caídas en losdiodos, entonces el voltaje de salida es

22

sal BV V V (2.9)

(a) Diodos ideales

(b) Incluidas las caídas de los diodos

Figura 2-27 Voltaje de salida del puente. D1, D2 y VB indican polarización en directa.



2.4 Filtros para rectificadores

El objetivo de un filtro de la fuente de alimentación es reducir en gran medida las fluctuaciones del

voltaje de salida de un rectificador de media onda o de onda completa y producir un nivel casi

constante de voltaje de cc. El filtrado es necesario porque para funcionar correctamente los circuitoselectrónicos requieren una fuente constante de voltaje y corriente de cc que les suministre potencia y polarización. El filtrado se lleva a cabo mediante capacitores, inductores o combinaciones de ambos,

como se vera en esta sección.

En casi todas las aplicaciones de fuentes de alimentación, el voltaje de línea de ca normal de 50 Hzdebe convertirse a un voltaje de cc suficientemente constante. La salida de cc con variaciones de 50

Hz de un rectificador de media onda o la salida con variaciones de 100 Hz de un rectificador de ondacompleta deben filtrarse para eliminar las grandes variaciones de voltaje. El concepto de filtrado se

ilustra en la figura 2-30, en la que se muestra un voltaje de salida de cc aproximadamente plano. A laentrada del filtro se aplica un voltaje rectificado de onda completa e, idealmente, a la salida aparece

un nivel de cc constante.

Figura 2-30 filtrado de la fuente de alimentación.

2.4.1 Filtro con capacitor a la entrada

En la figura 2-31 se muestra un rectificador de media onda con un filtro con capacitor a la entrada. RL representa la resistencia de carga. Para ilustrar el principio se usará el rectificador de media onda,

y el concepto se extenderá después al rectificador de onda completa.

(a) Cargado inicial del capacitor (el diodo está polarizado en directa)



(b) Descargado a través de R L, después del peak del semiciclo positivo (el diodo está polarizado en

inversa)

(c) Cargado de regreso al peak de entrada (el diodo está polarizado en directa)

Figura 2-31 Operación de un rectificador de media onda con filtro con capacitor a la entrada.

Durante la primera mitad del semiciclo positivo de la entrada el diodo está polarizado en directa,

permitiendo que el capacitor se cargue hasta el voltaje peak de entrada menos la caída en el diodo,como se muestra en la figura 2-31 (a). Cuando la entrada comienza a decrecer por debajo de su valor

peak, como se muestra en la parte (b), el capacitor mantiene su carga y el diodo se polariza eninversa. Durante la parte restante del ciclo, el capacitor puede descargarse sólo a través de la

resistencia de carga, a una razón determinada por la constante de tiempo RLC del circuito. Mientrasmás grande sea la constante de tiempo, menor será la descarga de capacitor. Durante el primer cuarto

del siguiente ciclo, el diodo vuelve a polarizarse en directa cuando el voltaje de entrada exceda alvoltaje del capacitor en aproximadamente una caída en el diodo. Lo anterior se ilustra en la parte (c).

2.4.2 Voltaje de rizo o ripple

Como se vio, el capacitor se carga rápidamente al principio de un ciclo y se descarga lentamente

después del peak positivo (cuando el diodo se polariza en inversa). La variación en el voltaje desalida, debida a la carga y descarga, se denomina voltaje de rizo o ripple. Mientras más pequeño

sea el rizo, mejor será la acción de filtrado, como se ilustra en la figura 2-32.

Para una frecuencia de entrada dada, la frecuencia de salida de un rectificador de onda completa es el

doble de uno de media onda, como se ilustra en la figura 2-33, lo cual facilita más el proceso defiltrado en un rectificador de onda completa. Una vez filtrado, el voltaje rectificado de ondacompleta tiene menos rizo que el de la señal de media onda, para los mismos valores de resistencia

de carga y capacitor. Lo anterior se debe a que el capacitor se descarga menos durante el intervalomás corto entre semiciclos de onda completa, como se muestra en la figura 2-34.



(a) Un rizo más grande significa filtrado menos eficaz

(b) Un rizo más pequeño significa filtrado más eficaz

Figura 2-32 Voltaje de rizo de media Mida (forma de onda trazada con la línea continua).

(a) Media onda

(b) Onda completa

Figura 2-33 Frecuencias de voltajes rectificados de media onda y onda Completa obtenidos apartir de una onda sinusoidal de 60 Hz

Figura 2-34 Comparación de los voltajes de rizo para señales de (a) media onda y (b) onda

completa



2.4.3 Factor de rizo (Ripple)

El factor de rizo es un indicador de la efectividad del filtro y se define como

r

cc

V r

V (2.10)

en donde V r es el voltaje de rizo eficaz ( RMS , valor medio cuadrático) y V cc es el valor de cc

(promedio) del voltaje de salida del filtro, como se ilustra en la figura 2-35. Mientras menor sea elfactor de rizo, mejor será el filtro. El factor de rizo puede reducirse incrementando el valor del

capacitor del filtro.

Figura 2-35 V r y V cc determinan el factor de rizo.

Para un rectificador de onda completa, con un filtro con capacitor a la entrada suficientemente alto,si V cc se halla muy cerca del valor del voltaje peak rectificado de entrada, las expresiones para V cc y

V r serán entonces como sigue:

0,004171cc p ent

L

V V R C

(2.11)

0,0024r p ent

L

V V R C

(2.12)

en donde V p(ent) es el voltaje peak rectificado aplicado al filtro.

Ejemplo 2.5

Determine el factor de rizo para el filtro del rectificador tipo puente de la figura 2-36.

Figura 2-36



Solución:

El voltaje peak en el primario esV p(1) = (1.414)115 = 162,6 V

El voltaje peak en el secundario es

21 162,6 16,26V

10 p

V

El voltaje peak en el rectificador de onda completa es

22 16,26 1, 4 14,86V B p ent p

V V V

El voltaje de cc filtrado en la salida es

0,00417

1 1 0,0379 14,86 14,3Vcd p ent

L

V V R C

El rizo eficaz (rms) es

3 6

0,0024 0,0024 14,860,324V

22 10 5 10

p ent

r

L

V V

R C

El factor de rizo es

0,3240,0227

14,3

r

cc

V r

V

En porcentaje, el rizo es 2.27%.

Ejercicio de práctica 2-7

Determine el voltaje de rizo si el filtro con capacitor a la entrada se incrementa a 10 μF y la

resistencia de carga cambia a 12 kΩ.

2.4.4 Corriente transitoria (sobre-corriente) en el filtro con capacitor a laentrada

Antes de que se cierre el interruptor de la figura 2-37(a), el capacitor del filtro se encuentradescargado. En el instante en que se cierra el interruptor se aplica un voltaje al puente y el capacitor

está en corto circuito, como se indica. Lo anterior produce un transitorio inicial de corriente I s através de los dos diodos polarizados en directa. La situación más crítica se presenta cuando el

interruptor se cierra en un voltaje de peak del secundario y se produce una corriente transitoriamáxima, I s(máx), como se ilustra en la figura.



(a)

(b)

Figura 2-37 Corriente transitoria en un filtro (a) con Capacitor a la entrada. (b) Una

resistencia en serie (R súbita) limita a la corriente súbita

Es posible que la corriente transitoria destruya los diodos, razón por la cual algunas veces se conectauna resistencia limitadora de transitorios, como se muestra en la figura 2-37(b). El valor de esta

resistencia debe ser pequeño en comparación con RL. Los diodos deben tener también un rango decorriente en directa tal que puedan soportar el transitorio de corriente momentáneo.



2.5 La hoja de datos para diodos

La hoja de datos del fabricante proporciona información detallada acerca de un dispositivo, de modoque éste pueda usarse apropiadamente en una aplicación dada. Una hoja de datos común proporciona

rangos máximos, características eléctricas, datos mecánicos y gráficas de diversos parámetros. En

esta sección se usará un ejemplo específico para ilustrar una hoja de datos típica.

En la tabla 2-1 se muestran los rangos máximos para una cierta serie de diodos rectificadores (del

1N4001 al 1N4007). Se trata de los valores máximos absolutos bajo los cuales puede operarse undiodo sin dañar el dispositivo. Para mayor confiabilidad y vida útil, el diodo siempre deberá operarse

muy por debajo de estos máximos. Generalmente los rangos máximos se especifican para 25°C ydeben ajustarse hacia abajo para temperaturas más altas.

Tabla 2-1 Rangos máximos.

Rangos Símbolo

1 N 4 0 0 1

1 N 4 0 0 2

1 N 4 0 0 3

1 N 4 0 0 4

1 N 4 0 0 5

1 N 4 0 0 6

1 N 4 0 0 7

Unidad

Voltaje de peak inverso repetitivo

Voltaje de peak inverso repetitivo de operaciónVoltaje de cc de bloqueo

VRRM

VRWM

VR

50 100 200 400 600 800 1000 V

Voltaje de peak inverso no repetitivo VRSM 60 120 240 480 720 1000 1200 V

Voltaje inverso eficaz VR(RMS) 35 70 140 280 420 560 700 V

Corriente directa rectificada promedio (una sola fase,

carga resistiva, 60 Hz, TA= 75°C) I0 1.0 A

Corriente transitoria peak no repetitiva (transitoria

aplicada en condiciones de carga nominales)IFSM 30 (para un ciclo) A

Rango de temperatura de la unión de operación y de

almacenamientoT j

Talmac - 65 a + 175 °C

A continuación se explican algunos de los parámetros de la tabla 2-1:

V RRM El voltaje de peak inverso máximo que es posible aplicar de manera repetida al diodo. Observeque en este caso es 50 V para el 1N4001 y 1 kV para el 1N4007. Este parámetro es igual que el VPI.

V R El voltaje de cc inverso máximo que puede aplicarse al diodo.

V RSM El valor de peak inverso máximo de voltaje no repetitivo que es posible aplicar al diodo.

I 0 El valor promedio máximo de una corriente directa rectificada de onda completa a 60 Hz.

I FSM El valor peak máximo de corriente directa no repetitiva (un ciclo). La gráfica en la figura 2-53

se extiende sobre este parámetro para mostrar valores para más de un ciclo, a temperaturas de 25°C y175°C. Las líneas discontinuas representan valores donde ocurren fallas típicas. Observe qué sucede

en la línea continua inferior cuando se aplican 10 ciclos de I FSM. El límite es 15 A, en vez del valor para un ciclo, de 30 A.



Figura 2-53 Capacidad transitoria no repetitiva.

Tabla 2-2 Características eléctricas.

Características y condiciones Símbolo Típico Máximo Unidad

Máxima caída instantánea de voltaje directo(if = 1A,T j = 25°C)

vf 0,93 1,1 V

Máxima caída de voltaje directo promedio de ciclocompleto ( I 0 = 1 A ,T L = 75°C; conductores de 1

pulgada)

vF PROM — 0,8 V

Máxima corriente inversa (voltaje de cc nominal)

T j = 25°CT j = 100°C

I R 0,051,0

10,050,0

μA

Máxima corriente inversa promedio de ciclo completo

( I 0 = 1 A, T L = 75°C; conductores de una pulgada) I R PROM — 30,0 μA

En la tabla 2-2 se enumeran valores típicos y máximos de ciertas características eléctricas. Estosvalores difieren de los rangos máximos en que no se seleccionan por diseño, sino que son el

resultado de operar al diodo bajo ciertas condiciones especificadas. A continuación se proporcionauna explicación breve de estos parámetros.



V F El voltaje instantáneo en diodo polarizado en directa cuando la corriente es 1 A a 25°C. En la

figura 2-54 se muestra cómo varían los voltajes en directa con la corriente en directa.

V F(PROM) La caída de voltaje máximo en directa promediado sobre un ciclo completo.

I R La corriente máxima cuando el diodo está polarizado en inversa con un voltaje de cc.

I R(PROM) La corriente en inversa máxima promediada sobre un ciclo (cuando el diodo está polarizadoen inversa con un voltaje de ca).

Figura 2-54 Voltaje directo en el diodo

Los datos mecánicos para estos diodos particulares, como aparecen en un instructivo común, semuestran en la figura 2-55.



Figura 2-55 Datos mecánicos.

2.6 Localización de fallas

En rectificadores de fuentes de alimentación pueden ocurrir varios tipos de fallas. En esta sección se

estudiará cómo localizar fallas comunes en circuitos rectificadores, fallas como diodos abiertos,diodos en corto circuito, capacitores con filtro abierto, capacitores en corto circuito o con fugas, y

devanados de transformadores abiertos o en corto circuito.

2.6.1 Diodo abierto

En la figura 2-56 se muestra un rectificador de media onda con un diodo que está abierto (un modo

de falla común). En este caso, en una resistencia de carga se medirían 0 V dc como se ilustra.

Ahora, considere el rectificador de onda completa con derivación central que se muestra en la figura2-57. Si el circuito está funcionando correctamente, entonces a una frecuencia de 120 Hz se

observará un voltaje de rizo normal. Si uno de los diodos está abierto, entonces a una frecuencia de60 Hz se observará un voltaje de rizo con una amplitud más grande que lo normal.

A continuación se analizará cada una de las observaciones mencionadas. Si el diodo D1 está abierto,

entonces por RL fluirá corriente sólo durante el semiciclo negativo del voltaje de entrada. Durante elsemiciclo positivo, la trayectoria abierta producida por el diodo que no funciona correctamente evita

el paso de corriente en R L. El resultado es voltaje de media onda, como se ilustra en la figura 2-57.Con el filtro con la entrada capacitiva en el circuito, la señal de media onda permitirá que el



capacitor se descargue más que si hubiera un voltaje de onda completa normal, dando lugar a unvoltaje de rizo más grande con una frecuencia de 60 Hz. Las mismas observaciones se harían en caso

de que el diodo D2 presentase una falla de apertura.

Un diodo abierto en un rectificador tipo puente mostraría síntomas idénticos a los que se acaban de

analizar para el rectificador con derivación central. Como se ilustra en la figura 2-58, el diodoabierto bloquearía la corriente en R L durante la mitad del ciclo de entrada (en este caso, la mitadnegativa). Lo anterior daría por resultado una salida de media onda y un voltaje de rizo incrementado

a 60 Hz, como ya se señaló.

Figura 2-56 La prueba para la operación de un diodo abierto en un rectificador de media onda

muestra 0 V en la salida.



Figura 2-57 Prueba para la operación de un diodo abierto en un rectificador con toma central

de onda completa con filtro.

Figura 2-58 El efecto de un diodo abierto en un rectificador de puente es una salida de media

onda que da por resultado un voltaje de rizo incrementado a 60 Hz.

2.6.2 Diodo en corto circuito

Un diodo en corto circuito es uno que falla de tal forma que tiene muy poca resistencia en ambasdirecciones. Si un diodo entra en corto circuito repentinamente en un rectificador tipo puente,

entonces durante la mitad del ciclo de entrada fluirá una corriente excesivamente alta, posiblementequemando uno de los diodos. Si uno de los diodos no se quema entonces el transformador puede

dañarse, a menos de que la fuente de alimentación cuente con fusibles adecuados. Esta condición seilustra en la figura 2-59 con el diodo D1 en corto circuito.

(a) Semiciclo positivo: el diodo en cortocircuito actúa como un diodo con polarización directa, por lo que la corriente de carga es normal



(b) Semiciclo negativo: el diodo en cortocircuito produce un cortocircuito a través de la fuente.

Como resultado D1, D4 o el transformador secundario se queman

Figura 2-59 Efectos de un diodo en corto circuito sobre un circuito de rectificador tipo puente.

En la parte (a) de la figura 2-59 se suministra corriente a la carga a través del diodo en corto circuito

durante el primer semiciclo positivo, justamente como si estuviera polarizado en directa. Durante el

semiciclo negativo, la corriente de corto circuito pasa a través de D1 y D4, como se muestra en la parte (b). Nuevamente es posible que se dañe el transformador, a menos de que cuente con fusiblesadecuados. Es factible que esta corriente excesiva queme a uno o a ambos diodos, abriéndolos. Si

solo uno de los diodos se abre, se seguiría observando un voltaje de media onda en la salida. Siambos diodos (D1 y D4 en este caso) se abrieran, entonces no habría voltaje en la carga.

2.6.3 Capacitor abierto en el filtro

Un capacitor abierto en el filtro da por resultado un voltaje de salida rectificado de onda completa,como se muestra en la figura 2-60(a).

(a) El filtro con capacitor abierto produce una salida de onda completa

(b) El filtro con capacitor en cortocircuito produce una salida de 0V

Figura 2-60 Síntomas producidos por filtros con capacitor defectuosos a la entrada con fallas.



2.6.4 Capacitor del filtro en corto circuito o con fuga

Un capacitor en corto circuito causaría seguramente que alguno o todos los diodos en un rectificador de onda completa se abrieran, en virtud de la corriente excesiva, o quemaría el fusible. En cualquier

caso, en la salida no existiría voltaje de cc. Esta condición se ilustra en la figura 2-60(b). Uncapacitor con fuga puede representarse por una resistencia de fuga en paralelo con el capacitor, como

se muestra en la figura 2-61(a). El efecto de la resistencia de fuga es reducir la constante de tiempode descarga. Lo anterior originaría un incremento en el voltaje de rizo en la salida, como se muestra

en la figura 2-61(b).

Figura 2-61 Efectos de un filtro con capacitor a la entrada con fuga.

Un resumen completo de los tres últimos problemas se presenta en la figura 2-62.

Figura 2-62. Todos los problemas posibles por culpa de un condensador defectuoso (abierto,

cortocircuito y fuga).



2.6.5 Transformador abierto o en corto circuito

Otro tipo de falla que ocurre en el circuito de una fuente de alimentación implica a lostransformadores. Si cualquiera de los devanados, el primario o el secundario, del transformador de

una fuente de alimentación se abre, entonces no habrá voltaje de salida. Si alguna de las vueltas deldevanado primario está en corto circuito, entonces el voltaje de salida de cc será mayor que lo

normal, debido a que lo anterior incrementa efectivamente la razón de vueltas del transformador. Sialguna de las vueltas del devanado secundario está en corto circuito, entonces el voltaje de salida de

cc será menor que lo normal, debido a que lo anterior reduce efectivamente la razón de vueltas deltransformador.

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DIODOs (2010)