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Rectificadores controlados. 1._ Principio de operación de un rectificador controlado. En los circuitos rectificadores se pueden sustituir, total o parcialmente, a los diodos por tiristores, de forma que se pueda obtener un sistema de rectificación controlada o semicontrolada. Estos sistemas permitirán la regulación del valor medio de la tensión en la carga. La sustitución del diodo por el tiristor permite retardar la entrada en conducción del mismo, lo cual ocurre no sólo cuando la tensión entre sus bornes es positiva, sino cuando, siendo positiva se inyecta un pulso de cebado a la puerta del tiristor. El parámetro fundamental en estos rectificadores con tiristores será el ángulo de retardo α, de forma que un tiristor conduce con un retardo de tiempo α/w con relación al instante en el cual conduciría el diodo al que ha sustituido. Los rectificadores con tiristores utilizan los mismos esquemas que los rectificadores con diodos, si bien aquí hay que distinguir entre dos tipos: a) Rectificadores semicontrolados. Formados por tiristores y diodos. b) Rectificadores totalmente controlados. Formados únicamente por tiristores. Dada la similitud entre los rectificadores con tiristores y los rectificadores con diodos utilizaremos resultados anteriormente deducidos (Tema 2). Para distinguir las magnitudes cuando se pasa de los montajes con diodos a tiristores utilizaremos la prima (') para referirnos a los montajes con tiristores. El principio de funcionamiento consiste en disparar los tiristores con un cierto ángulo respecto del punto de conmutación natural o paso por cero de la señal de entrada. Con ello se consigue aplicar la tensión de la fuente sobre la carga un tiempo variable, que depende del momento del disparo y por tanto se conseguirá variar los valores medios y eficaces de la tensión en la carga. Dependiendo del tipo de carga, se deberá analizar el tipo de impulso de cebado del tiristor. Para las cargas con componente inductiva, la corriente en la carga, y por tanto en el tiristor, no variará bruscamente, con lo que se tardará un cierto tiempo en alcanzar la corriente de enclavamiento del tiristor. Así se deberá mantener la excitación de puerta hasta que el tiristor alcance la plena conducción. En esta circunstancia será más adecuado el uso de un tren de impulsos de larga duración, evitando pérdidas en el tiristor. En el caso de cargas poco inductivas, se deberá tener en cuenta el di/dt, con el fin de no sobrepasar los niveles máximos de cada tiristor.

La conmutación se producirá de manera natural ante la existencia de un impulso de cebado, si la tensión Vak > 0. En cuanto al bloqueo de los tiristores en un montaje rectificador, este se producirá de manera natural, al anularse la corriente en el circuito, o bien cuando se dispare otro tiristor, y se polariza inversamente el que conducía, lo que produce un bloqueo forzado. En este caso los problemas de tiempo de bloqueo no son importantes cuando se trabaja a frecuencias bajas (bloqueo estático).

2._ Rectificador controlado de media onda. El rectificador de media onda generalmente se usa sólo para aplicaciones de baja corriente, o de alta frecuencia, ya que requiere una capacitancia de filtrado mayor para mantener el mismo voltaje de rizado que un rectificador de onda completa. Un rectificador simple de media onda de este tipo no es una buena aproximación a una cc constante en forma de onda; contiene componentes de frecuencia de ca a 6OHz y todos sus armónicos. Un rectificador de media onda tiene un factor de rizado r = 121%, lo que significa que tiene más componentes de voltaje de ca en su salida que componentes de voltaje de cc. Obviamente, el rectificador de media onda no es, en consecuencia, una forma muy buena de producir voltaje de cc a partir de una fuente de ca. Durante el intervalo t=0 -> T/2, la polaridad del voltaje aplicado Vrms es igual a la que contiene el diodo cuando sé esta polarizado directamente, por lo que conduce el diodo y permite el pico positivo, pero cuando T/2 -> T, la polarización de la entrada se invierte y el diodo no conduce. El rectificador de media onda es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna de lleno conducen cuando se polarizan inversamente. Además su voltaje es positivo. Polarización directa (Vi > 0) En este caso, el diodo permite el paso de la corriente sin restricción. Los voltajes de salida y de entrada son iguales, la intensidad de la corriente puede calcularse mediante la ley de ohm.

Polarización inversa (Vi < 0)

En este caso, el diodo no conduce, quedando el circuito abierto. No existe corriente por el circuito, y en la resistencia de carga RL no hay caída de tensión, esto supone que toda la tensión de entrada estará en los extremos del diodo: 1 V 0=0 V diodo=Vi I =0 Tensión rectificada

Rectificador de media onda con filtro RC (Diodo ideal) Un circuito RC sirve como filtro para hacer que el voltaje alterno se vuelva directo casi como el de una batería, esto es gracias a las pequeñas oscilaciones que tiene la salida del voltaje, las cuales son prácticamente nulas.

La primera parte del circuito consta de una fuente de voltaje alterna, seguido de un diodo que en esta ocasión será ideal (simplemente para facilitar la comprensión del funcionamiento) y finalmente el filtro RC.

El circuito funciona de la siguiente manera: 1. Entra la señal alterna al circuito, la cual se rectifica con el diodo. (Solo permite pasar un semi-ciclo de la señal, que en este caso es el semi-ciclo positivo) 2. En el momento que el voltaje sale del diodo el condensador se empieza a cargar y la caída de voltaje se recibe en la resistencia. 3. En el entender que es lo que está pasando y como calcular el filtro.

3._ Control de los tiristores. El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente. Este principio básico puede observarse también en el diodo Shockley. El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, denominada puerta (o en inglés, gate) cuando hay una tensión positiva entre ánodo y cátodo, es decir la tensión en el ánodo es

mayor que en el cátodo. Solo puede ser apagado con la interrupción de la fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendo pasar una corriente en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza inversamente en el tiristor existirá una débil corriente inversa de fugas hasta que se alcance el punto de tensión inversa máxima, provocándose la destrucción del elemento (por avalancha en la unión). Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo, debe generarse una corriente de enganche positiva en el ánodo, y además debe haber una pequeña corriente en la compuerta capaz de provocar una ruptura por avalancha en la unión J2 para hacer que el dispositivo conduzca. Para que el dispositivo siga en el estado activo se debe inducir desde el ánodo una corriente de sostenimiento, mucho menor que la de enganche, sin la cual el dispositivo dejaría de conducir. A medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el punto de disparo. Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF -> ON, usando la corriente de puerta adecuada (la tensión entre ánodo y cátodo dependen directamente de la tensión de puerta pero solamente para OFF -> ON). Cuanto mayor sea la corriente suministrada al circuito de puerta IG (intensidad de puerta), tanto menor será la tensión ánodo-cátodo necesaria para que el tiristor conduzca. También se puede hacer que el tiristor empiece a conducir si no existe intensidad de puerta y la tensión ánodo-cátodo es mayor que la tensión de bloqueo. Formas de activar un tiristor Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor. Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la activación del dispositivo. Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se establece este método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse. Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie

la activación con retroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de destruirlo. Elevación del voltaje ánodo-cátodo: Si la velocidad en la elevación de este voltaje es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo.

4._Rectificadores monofásico idealizado con Ls=0 e id=Id En la siguiente figura se observa el esquema equivalente correspondiente a un rectificador monofásico totalmente controlado, donde la carga actúa como una fuente de corriente constante de inductancia de línea se ha despreciado.

Para Vs > 0 no existe conducción de T1 y T2 hasta que se produzca el disparo de éstos. Si consideremos el régimen estacionario, para wt < α (donde es α el ángulo de retraso o de disparo) la corriente debe estar circulando por T3 y T4, como lo que Vd= Vs. En wt = α la corriente Id pasa de forma instantánea (Ls = 0) a circular por T1 y T2, ya que están correctamente polarizados y se produce su disparo, por lo que se tendrá Vd= Vs. T1 y T2 conducen hasta π+ α, donde T3 y T4 son nuevamente disparados. Las formas de onda en este rectificador se pueden ver en esta figura. Como es fácil de intuir, la tensión media en la carga dependerá del ángulo de disparo α, tal como se muestra en las siguientes ecuaciones:

Formas de onda en un rectificador monofásico totalmente controlado con Ls = 0 e id = Id = cte

Se observa que para ángulos de disparo menores a π/2 la tensión media en la carga será positiva, y para ángulos mayores negativa, y puesto que la corriente en la carga es siempre la misma, resulta que en el primer caso la carga está absorbiendo potencia y en el segundo la está aportando a la red. Se determinará la potencia medida consumida por la carga en función del ángulo de disparo α de los tiristores.

La carga absorbe potencia: rectificador

La carga aporta potencia: inversor

Debido a la simetría de media donde de i s, solamente tendremos armónicos impares, quedando el desarrollo en serie de Fourier de la siguiente forma:

El valor eficaz de is, aplicando la definición, resulta ser Is = Is, por lo que los parámetros más importantes serán:

a) Contenido armónico de is b) Relación de potencias en función del ángulo de disparo La potencia activa también puede calcularse desde la fuente, obteniéndose un resultado análogo.

La potencia reactiva para la componente fundamental es:

Y la potencia aparente:

5._ Efecto de las Ls (bobina)

Considerando la existencia de una inductancia de línea, la corriente i s deberá variar de forma continua, análogamente a como ocurría en los rectificadores no controlados. Existirá un intervalo de comunicación µ, que será función de α, durante el cual todos los tiristores conducen y vd = 0, siendo vs = vLs

Integrando en el intervalo de comunicación queda:

El primer término en la igualdad de la ecuación anterior es el área Aµ, que aparece sombreada en la siguiente figura:

Formas de onda en un rectificador monofásico totalmente controlado con L s ≠ 0 e id = Id = cte. Esta área Aµ vendrá dada por:

y operando nos queda:

De las anteriores expresiones se desprende que Aµ es independiente de α, por lo que µ será mínimo para α = 90° (a mayor altura, para igual área Aµ, le corresponde menor intervalo de comunicación).

La reducción en la tensión media debido a Ls es:

quedando la tensión media aplicada a la carga como:

Así mismo, en la gráfica anterior se observa que is tiene una forma de onda trapezoidal, por lo cual cumple que:

Teniendo en cuenta esto, e igualando la potencia activa o consumida en el lado de contínua y en el de alterna, se puede obtener el valor eficaz de la componente fundamental de is.

Cuando Is (valor eficaz de is), por aplicación de la definición, y combinándolo con I s1, podemos obtener la distorsión total armónica y el factor de potencia.

7._Rectificadores reales (carga R-L-C)

8._ Funcionamiento como inversor

9._ Rectificadores trifásicos totalmente controlados

10._ Funcionamiento idealizado con Ls=0 e id=Id

11._ Efecto de Ls

12._ Funcionamiento como inversor