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Concepto de señal alterna
Una señal alterna, es aquella que durante su ciclo tiene valores positivos y negativos por igual.
Por ejemplo, la figura #3.1 muestra una señal de tipo senoidal.
Figura # 3.1: Señal alterna senoidal.
Una señal alterna simple tiene las siguientes características:
a) Período (T): Corresponde al tiempo que demora la señal en volver a repetir su ciclo y se
mide en segundos
b) Frecuencia (F): corresponde al número de ciclos que entrega la señal durante el lapso de un
segundo y se mide en Herz. La frecuencia es el inverso del período, es decir, F= 1 / T.
c) El valor promedio (o continuo) de la señal alterna es cero.
d) Valor pico (Vp) : corresponde al valor máximo que tiene la señal eléctrica.
e) Valor pico a pico (Vpp) = 2Vp
f) El voltaje efectivo o eficaz para una señal de tipo senoidal es:
g) El voltaje continuo para una señal alterna es cero.
h) Valor instantáneo (Vc) : Corresponde al valor que tiene la señal en un instante de tiempo
cualquiera
i) Frecuencia angular ( = 2**f); se mide en radianes
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Rectificador.
Un rectificador, es un circuito que tiene como misión principal modificar la forma de la señal
alterna, con el objetivo de obtener un valor promedio o valor continuo distinto de cero. Entre
los rectificadores monfásicos más representativos se encuentran:
a) Rectificador de media onda
Tiene por finalidad, eliminar un semiciclo, es decir, dejar solamente los valores positivos o
negativos de la señal alterna.
La figura #3.2 muestra un rectificador de media onda básico y la señal alterna propiamente
tal.
Figura #3.2 : Rectificación de un ciclo.
La figura #3.3 nos entrega la señal rectificada para varios ciclos
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Figura #3.3: Señal rectificada para varios ciclos de la señal alterna.
El valor promedio o valor continuo de la señal así rectificada es
Vcd = 0.318*(Vm – VT).
Donde VT corresponde al voltaje de conducción del diodo (considerando segunda aproximación) y el
voltaje inverso máximo (VIP) que debe soportar el diodo es VIP = Vm .
Ejemplo:
1.- Considere el caso en que Vi = 20 seno (t ) volts y con diodo ideal. Según se muestra en la
figura #1 si el diodo es ideal.
éste rectificador, conducirá únicamente en la parte positiva de Vi. Luego Vcd = 0.318*Vm
Vcd =0.318*(20), entonces Vcd = 6.36 volts. Además VIP ≥ 20 Volts.
2.- Para el mismo caso de la figura 1, considere que el diodo es de Silicio, calcule el nuevo valor
del voltaje continuo de salida.
Vcd = 0.318(Vm - VT)
Vcd = 0.318(20 -0.7)
Vcd = 6.14V
Es importante notar que el voltaje pico inverso (VPI) del diodo es de fundamental importancia
en el diseño de sistemas de rectificación, en efecto, El VPI del diodo no debe excederse, esto
es Vm < VPI, ya que de lo contrario, el diodo entraría en la región de avalancha y que conlleva la
destrucción del diodo.
La mayor parte de los circuitos electrónicos necesitan un voltaje de c.d. para trabajar. Debido
a que el voltaje de línea es alterno, lo primero que debe hacerse en cualquier equipo electrónico
es convertir o "rectificar" el voltaje alterno (c.a.) en un voltaje continuo o directo (c.d.).
b) Rectificador de onda completa
Tiene por finalidad, modificar un semiciclo, es decir, dejar los dos semiciclos con valores
positivos solamente o negativos solamente de la señal alterna. Este tipo de rectificación
permite ocupar los dos semiciclos de la señal alterna y existen de dos tipos, denominado
rectificador de onda completa tipo puente y rectificador de onda completa con
transformador de punto medio o rectificador bifásico.
b.1) Rectificador de onda completa tipo puente
La figura #3.4 muestra el rectificador tipo puente.
Figura #3.4: Rectificador puente
Como se puede observar, este rectificador está compuesto de 4 diodos puestos de manera tal
que dos diodos funcionen por cada semiciclo, como se muestra en la figura #3.5, de manera tal,
que en la salida se obtenga solamente valores positivos de la señal.
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Figura #3.5: Funcionamiento del rectificador de onda completa tipo puente
Para este caso, el voltaje promedio es el doble al voltaje del rectificador de media onda, es
decir, Vcd = 0.636*(Vm – 2*VT). Y el VIP = Vm – VT.
Este tipo de rectificador es
ampliamente utilizado por su bajo costo en la mayoría de las fuentes de alimentación, su mayor
desventaja es la perdida de voltaje producto de dos diodos por cada semiciclo, esto es, 2*VT
b2)
Rectificador de onda completa bifásico.
Este rectificador tiene la ventaja de utilizar un solo diodo por fase, sin embargo,
requiere de un transformador con punto medio como se muestra en al figura #3.6
Figura #3.6: Rectificador de onda completa bifásico.
La idea es que cada secundario aporte con un semiciclo de la señal de salida, es equivalente, a
tener dos rectificadores de media onda con las entradas opuestas.
La figura #3.7, muestra el principio de funcionamiento de este rectificador.
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Figura #3.7: Funcionamiento del rectificador de onda completa bifásico
La desventaja de este tipo de rectificador radica en lo siguiente:
a) Se requiere de un transformador más caro
b) El VIP de cada diodo es VIP = 2*Vm – VT, es decir, el doble con respecto al rectificador
puente.
Si se quiere considerar al diodo rectificador en tercera aproximación, se debe cosiderar por
cada diodo la pérdida de voltaje que se produce en la resistencia interna del diodo, esto es:
VT = 0,7 Volts + ID * RD
En resumen, se puede decir que el proceso de rectificación consiste en modificar la forma de
la señal eléctrica con el objetivo de obtener un valor continuo (V DC), sin embargo, la señal
obtenida corresponde a una señal que puede tener grandes variaciones de voltaje entre un
tiempo y otro, por tal motivo se denomina señal continua pulsante o señal continua variante
en el tiempo a diferencia del voltaje que entrega una batería cuyo valor instantáneo no cambia
con el tiempo a este tipo de señal se denomina señal continua invariante en el tiempo. La
figura 3.8 muestra voltaje obtenido de una bateria y la señal que se obtiene a la salida de un
rectificador
Figura 3.8: Señales continua invariante y señal continua pulsante
Con el objetivo de disminuir la variaciones instantáneas que se produce en una salida
rectificada y obtener una señal de salida estable se utilizan filtros.
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Filtros
La etapa del filtrado consiste en la conexión de bobinas y o condensadores después de la
rectificación, para obtener un alisamiento de la corriente pulsante obtenida.
FILTRO A CONDENSADOR: Actualmente en los equipos electrónicos, se ha generalizado la
utilización de filtros capacitivos. Esto se justifica por la mayor economía y sencillez de los
cálculos para obtener los valores adecuados y obtener un buen resultado a la salida del
circuito. La utilización de condensadores, permite además la reducción del tamaño de los
circuitos y la simplificación del diseño de éstos.
Figura #3.9: Filtro capacitivo
Figura #3.10: Rectificador de media onda con
filtro capacitivo
FUNCIONAMIENTO:
a) Carga: Cuando un diodo es polarizado directamente, éste conducirá, produciendo una
caída de tensión en la carga. Como el capacitor está en paralelo con la carga, este será
sometido a la misma tensión presente sobre la carga por lo tanto el condensador se cargará
a través del transformador al valor máximo que se alcance sobre la carga.
b)
Descarga: Al comenzar a reducirse la tensión aplicada a la entrada, el diodo se polarizará
inversamente y el condensador iniciará su proceso de descarga a través de la resistencia de
salida, tendiendo de ese modo a mantener la corriente en la resistencia (R).
La figura #3.11 muestra el proceso de carga y descarga del condensador para un rectificador
de media onda.
Figura #3.11: Carga y descarga en un rectificador de media onda con filtro capacitivo
La figura #3.12 muestra el proceso de carga y descarga para un rectificador de onda completa
con filtro
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Figura #3.12: Voltaje de salida en un rectificador de onda completa con filtro capacitivo
De Las figuras 3.11 y 3.12, se puede observar que si el capacitor es de baja capacidad, se hará
manifiesto el voltje de rizado en mayor o menor grado, dependiendo de la resistencia de salida.
A una baja resistencia, corresponde una mayor corriente, tanto en el momento de conducción
del diodo, como en el momento de descarga del capacitor. De esta forma, el condensador
almacena energía en los periodos de conducción de los diodos y entrega su energía durante los
periodos en que éstos no conducen, prolongando con ello el tiempo durante el cual fluye la
corriente a través de la carga, en comparación con el tiempo de conducción del rectificador sin
filtro. La corriente a través de la carga, con filtro, puede ser continua, mientras que la
corriente a través del rectificador fluye a pulsos y de allí su nombre de corriente pulsante.
Por otra parte, si la reactancia capacitiva del capacitor es pequeña comparada con la carga,
respecto de la frecuencia de la red (50Hz), la componente alterna queda prácticamente
cortocircuitada y en la carga se tendrá únicamente una componente continua.
La disminución de la tensión entre pulsos sucesivos de carga en el condensador, dependerá de
los valores relativos de la constante de tiempo RC y del periodo de la tensión aplicada
(frecuencia de la señal).
Una constante de tiempo pequeña, significará que la disminución de la tensión en el capacitor
es grande y también lo será el factor de rizado; en cambio una constante de tiempo grande,
dará lugar a una componente de rizado pequeña.
Los diodos solo conducirán durante la porción del ciclo durante el cual se carga el
condensador, pues solo durante ese tiempo la suma de la tensión de alimentación con la tensión
acumulada por el condensador será tal, que la tensión de los diodos tenga un sentido directo.
Las características del filtro a condensador, pueden determinarse examinando las forma de
onda de la figura #3.12, donde el rizado tiende a aparecer como una señal triangular montada
sobre un nivel continuo como se observa en al figura #3.13.
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.
Figura #3.13: Voltaje de salida aproximado en un rectificador de onda completa con
filtro capacitivo
Hay dos factores importantes determinarán la calidad y efectividad de un filtro que son:
a) Factor rizado (FR): Corresponde al cuociente entre el valor RMS de la componente
alterna de la señal de salida o voltaje de rizado como se muestra en la figura #3.13
divido por el voltaje continuo de la señal de salida
VDC. El factor de rizado es
generalmente expresado en terminos de porcentaje, deseándose que este valor sea lo
más bajo posible.
b) El voltaje continuo de la señal de salida
VDC:
De la figura #3.13, se tiene que:
1) Voltaje máximo del rizado (Vr max) corresponde al voltaje V (p – p) del rizado divido por
dos, est es Vr max = V (p – p) del rizado / 2 o bien Vr max = Vppr/2
Vr max
2) El voltaje eficaz o RMS de una señal triangular es Vr (RMS) =
3

Vppr
2 3
Con los datos obtenidos anteriormente se tiene que:
a) El factor de rizado (FR) =
Vr (RMS) / VDC, luego:
FR  2
1
3  F  RC
Esto nos indica que el rizado se reduce cuando aumenta la capacidad del condensador y/o
La resistencia de la carga es alta. Cuando la intensidad por la carga sea nula (equivalente a
resistencia infinita o circuito abierto), desaparece el factor de rizado, lo que significa que
la tensión de salida es constante, pero ante los incrementos de la corriente de la carga, es
decir si Ro disminuye, el factor de rizado aumentará.
b) La tensión continua de salida (VDC): Se puede definir como el voltaje de señal máximo
(Vm) menos el voltaje máximo de rizado (Vmr), esto es
VDC  V max  V ( p  p2) Rizado
Luego, el voltaje continuo será:
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Para el caso de un rectificadior de onda completa, se reemplaza la frecuencia pulsatoria por un
valor equivalente a 100 Hz.
Otros tipos de filtro que se utilizó bastante, corresponde al filtros del tipo “LC”, consistente
en el empleo de bobinas y condensadores, pudiendo cualquiera de los dos elementos estar en la
entrada o en la salida de la etapa de filtrado (bobina o condensador de entrada).
De acuerdo a la disposición de las bobinas y condensadores en el circuito de filtrado, los filtros
se clasifican en:
FILTRO TIPO “L”: Está conformado por una bobina en la entrada, en serie con la carga,
seguida de un capacitor en paralelo, tal como se ilustra en la figura #3.14
Figura #3.14: filtro tipo “L”
La bobina de este tipo de filtro se opone a las variaciones rápidas de la corriente y el capacitor
se opone a las variaciones bruscas de voltajes, contribuyendo de esta forma a un mejor
filtrado.
FILTRO TIPO “T”: Posee una bobina a la entrada, un capacitor y una segunda bobina en
paralelo a la carga. Al igual que en el circuito anterior, las bobinas están en serie y el capacitor
en paralelo a la carga (R) como se ilustra en al figura #3.15.
Figura #3.15: filtro tipo “T”
FILTRO TIPO “”: Está conformado por un condensador de entrada en paralelo, luego una
bobina en serie con la carga y un segundo condensador también en paralelo como se ilustra en
al figura #3.16.
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Figura #3.16: filtro tipo “”
EL FILTRADO Y SU RELACION CON LA FRECUENCIA
Cuando se realiza una rectificación de media onda, se obtiene una frecuencia pulsatoria de 50
hertz, mientras que en Onda Completa esta frecuencia es de doble valor. En general, es
mucho más fácil filtrar una corriente, mientras más alta es su frecuencia, de donde se deduce
que es más simple para el filtrado una rectificación de onda completa. Esto puede comprobarse
perfectamente con solo observar las formas de onda que se obtienen en cada circuito
rectificador de la figura #3.17.
Los filtros utilizados para las fuentes de alimentación, corresponden a filtros “pasabajos”, es
decir, que permiten el paso de todas aquellas frecuencias por debajo de una llamada
“frecuencia de corte” y anula todas aquellas frecuencias que están por encima de ese valor.
Características del filtro pasa bajos:
La frecuencia de corte, debe ser inferior a la más baja frecuencia de la línea eléctrica, de este
modo se eliminará esta frecuencia y, con más razón, las frecuencias armónicas que suelen
producirse en algunos rectificadores y que son múltiplos de la fundamental (comúnmente
llamadas como ruido). El zumbido residual a la salida de una etapa rectificadora se mide en %
comparándolo con la tensión contínua de salida. Por ejemplo, si el zumbido es del 50%, significa
que la amplitud del rizado es la mitad de la tensión contínua de la salida.
Un filtro ideal pasabajos, debería poseer un abrupto corte por encima de la frecuencia más
baja que se desea pasar. Sin embargo en la práctica, los elementos de filtro poseen resistencia
que actúa como pérdida, impidiendo que el corte sea abrupto y se produce una acción gradual.
Debido a esta última característica, se suele elegir siempre una frecuencia de corte más baja
que la necesaria. Por ejemplo si la frecuencia a eliminar, es la de un rectificador monofásico de
onda completa, en lugar de elegir una frecuencia de corte de 100 Hertz, se diseña con un corte
entre 50 y 75 Hertz, dependiendo de la magnitud de la atenuación que se desea obtener.
Para rectificadores de media onda, se acostumbra, una frecuencia de corte entre 25 y 35
Hertz.
En los siguientes esquemas, se muestra la acción aproximada de los circuitos en sus diversas
frecuencias de corte.
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Figura #3.17.- Respuesta de frecuencia para los diferentes tipos de filtros
CALCULO DE LOS ELEMENTOS DEL FILTRO:
Determinación en base a la frecuencia de corte: El cálculo de los elementos de filtro, no es
complicado, ya que basta emplear operatorias elementales.
Primero se debe utilizar la fórmula para obtener el denominado “producto LC”:
LC
=
1 / (
*
f )
2
Donde:
L = Inductancia en Henrios
C = Capacidad en faradios
f = Frecuencia en Hertz
En esta ecuación obtenemos el producto “LC”, característica muy importante, ya que en un
filtro del tipo LC, el valor de uno de los componentes depende del otro de modo inversamente
proporcional, es decir, si uno de ellos aumenta, el otro debe disminuir para mantener la
frecuencia de corte.
Una vez obtenido el producto LC, bastará conocer el valor de uno de ellos, para obtener el
valor necesario del segundo elemento ( ya sea L o C).
Supongamos que tenemos un
rectificador de onda completa de una linea de 50 Hz. La frecuencia pulsatoria es entonces de
100 Hz. Determinaremos la frecuencia de corte en 75 Hz. Tenemos entonces:
LC =
1 / ( * f ) 2
LC =
1 / (3,14 x 75) 2
LC = 1 / 55.600
LC = 0,000018
Ya obtenido el valor del producto LC, solo será necesario fijar el valor de uno de los elementos.
Supongamos por ejemplo que tenemos un capacitor de 2 F y queremos emplearlo en el filtro.
La inductancia se hallará dividiendo el producto LC por el valor del capacitor:
L = 0,000018 / 0,000002
L
= 9 Henrios
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Esto quiere decir que una inductancia de 9 Henrios, con este capacitor de 2 F, nos
proporciona la deseada frecuencia de corte. En todo caso, puede utilizarse un filtro con dos
inductores de 4,5 Henrios, con el mismo valor del capacitor.
Otro dispositivo muy utilizado en la estabilización de la señal eléctrica son los diodos Zener.
La Figura #3.18 Muestra la curva característica de los diodos Zener.
Figura #3.18: Curva característica de los diodos
La figura #3.19 muestra simbología de los diodos Zener.
Figura #3.19: Simbología de los diodos Zener
Como se observa en la figura #3.18, la corriente en la región Zener tiene una dirección opuesta
a la de un diodo polarizado directamente puesto que el diodo Zener es un diodo que ha sido
diseñado para trabajar en la región Zener. Todo lo anterior, indica que un diodo Zener puede
conducir en ambos sentidos, de manera tal que en sentido directo el diodo Zener se comporta
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como un diodo rectificador normal y en polarización inversa La figura #3.20, muestra esta
situación.
Figura #3.20: Corriente en el diodo
Zener
De acuerdo con la definición, se puede decir que el diodo Zener ha sido diseñado para trabajar
con voltajes negativos (con respecto a él mismo). Es importante mencionar que la región Zener
(en un diodo Zener) se controla o se manipula variando los niveles de dopado, un incremento en
el número de impurezas agregadas, disminuye el potencial o el voltaje de Zener VZ. Así, se
obtienen diodos Zener con potenciales o voltajes de Zener desde -1.8 V a -200 V y potencias
de 1/4 a 50 W.
El diodo Zener se puede ver como un dispositivo el cual cuando ha alcanzado su potencial VZ el
diodo Zener conduce y se comporta como un "switch" o interruptor que se activa con VZ volts.
Comportamiento del diodo Zener en señal alterna (recortador de señal).
En muchas ocasiones, se utiliza al diodo Zener para recortar una señal, impidiendo con ello que
se generen señales de alto valor en la carga. Para ello, se conecta al diodo Zener en paralelo
con la carga y por su puesto una resistencia. La figura 3.21 muestra tal situación.
Figura #3.21: Circuito recortador de señal con diodo Zener
En este caso, podemos observar que el voltaje de entrada corresponde a una señal alterna del
tipo senoidal, además, el voltaje de salida Vo está en paralelo al diodo Zener, por lo tanto, sus
voltajes son iguales. Para analizar esta situación, consideremos en primer instante el semiciclo
positivo.
a) Si el voltaje de entrada es menor que Vz,, entonces el diodo Zener está abierto y el
circuito equivalente corresponde a un circuito divisor de tensión como se muestra en la
figura #3.22 a).
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b) Si el voltaje de entrada es mayor que Vz,, entonces el diodo Zener está en conducción y
por tanto el voltaje en el diodo y por su puesto en Vo se mantendrá fijo en su valor Vz.
Luego, el resto del voltaje quedará en
R1 (VR) como muestra la figura #3.22 b).
Figura #3.22: Semiciclo positivo de la señal con diodo Zener
Durante el semiciclo negativo, el diodo Zener conduce, por tanto su voltaje y el voltaje Vo,
corresponde al voltaje de un diodo polarizado directo (0,7 Volt si el diodo es de Silicio). La
figura #3.23, muestra la señal de entrada y la señal obtenida en la salida Vo.
Figura #3.23: Señal de entrada y
salida
En muchas ocasiones, se desea tener señal recortada en ambos semiciclos, para ello, se
conecta un segundo diodo Zener en serie con el primero, como se muestra en la figura #3.24
Figura #3.24: Señal de entrada y salida para un circuito recortador con diodo Zener.
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Esto quiere decir que para recortar la señal, el diodo Zener debe absorber tanta corriente de
manera que el resto del voltaje quede en la resistencia serie Ri.
Ej. Para el circuito de la figura # 3.25, considere que Vi=18 Volts y el voltaje Zener es de
VZ = 5,6 Volts. Si Ri= 100 y Ro=200 . Calcule el voltaje y corriente que circula por cada
elemento.
Figura # 3.25: Circuito limitador con diodo Zener.
Solución:
De la figura 3.25, se puede observar que Vo = Vz = 5,6 Volts, Luego Io = Vo/Ro es decir
Io =5,6V / 200Luego Io = 28mA.
VR =Vi – Vo, es decir VR = 18V – 5.6V. Por lo tanto VR= 12,4 Volt.
Así Ii = VR /Ri. Ii = 12,4V / 100donde Ii = 124mA.
Además Ii = Iz + Io, por lo tanto,
Iz = Ii – Io, es decir Iz = 124mA – 28mA. Es decir, Iz = 96 mA.
Como se puede observar, el diodo Zener absorbe gran parte de la corriente de entrada, lo
suficiente para mantener el voltaje de salida constante.
La gran utilidad del diodo Zener es mantener estable una tensión de salida, sin embargo su
debilidad consiste en la potencia máxima que este dispositivo puede soportar. En efecto la
potencia Zener es: Pz = Vz x Iz. Por tanto, hay que tener mucho cuidado al momento de
diseñar una fuente estabilizada con diodo Zener.
La figura #3.26, muestra una fuente estabilizada típica con diodo zener.
Figura #3.26:
Fuente de tensión estabilizada con diodo Zener