Componentes electrónicos: diodos de potencia y rectificadores

Uno de los componentes más comunes y uno de los primeros dispositivos electrónicos conocidos es el diodo de potencia. Su propósito es limitar la capacidad de la corriente para fluir en una dirección y evitar que fluya en la otra. Existen diodos de potencia en el mercado debido a la necesidad de pasar grandes cantidades de energía en diversas aplicaciones. Permiten un consumo de energía muy alto y son muy duraderos.

diodo de potencia

Un diodo de potencia es un componente electrónico pasivo no lineal que consta de dos terminales, un ánodo y un cátodo. Solo permite el paso de la corriente en un sentido y la bloquea por completo en el sentido contrario (ver Figura 1). Como se trata de un componente semiconductor, actúa como un interruptor de corriente unidireccional. Como se mencionó anteriormente, el comportamiento no es lineal porque la señal en la salida no siempre sigue la tendencia de la señal en la entrada. Una curva característica de diodo es una representación gráfica de la corriente al variar el voltaje entre el ánodo y el cátodo de un diodo de potencia. Si el voltaje es positivo, el componente estará directamente polarizado. Si el voltaje es negativo, el diodo de potencia tendrá polarización inversa.

Hay tres tipos de diodos de potencia:

• Diodos para aplicaciones generales, circuitos de frecuencia DC o red. Su funcionamiento es mayormente estático, por lo que pueden soportar miles de voltios y amperios, con posibilidad de conexiones en paralelo entre ellos.
• Diodo Schottky: Se usa donde se requiere una baja caída de voltaje. De hecho, la diferencia de potencial entre ellos es de aproximadamente 0,2 V o 0,3 V. El voltaje inverso máximo es bastante limitado.
• Diodo de recuperación rápida: Para operación a alta velocidad. Por lo general, se usan junto con interruptores electrónicos de alta velocidad como los MOSFET. Su tiempo de recuperación es inferior a 1 microsegundo.

Algunos tipos pueden soportar miles de amperios de corriente y miles de voltios de voltaje. Por ejemplo, considere las aplicaciones típicas de energía del sector automotriz, ferroviario y de transporte. Un diodo de potencia puede pasar corriente cuando el voltaje en su ánodo es mayor que el voltaje en su cátodo. Durante el funcionamiento, la diferencia de potencial entre estos dos terminales es muy baja, entre 0,2 V y 2 V (la diferencia de 0 V existe solo en diodos ideales). Cuando el voltaje en el cátodo es mayor que el voltaje en el ánodo, el diodo de potencia se apaga y no fluye corriente. Por lo tanto, su utilidad cubre funciones como interruptores, conmutadores en rectificadores, circuitos de conmutación, aislamiento, carga de capacitores, dispositivos de recirculación y muchos otros. Las propiedades de la gráfica que acabamos de ver están descritas por la ecuación de Shockley, según

Dónde está:

• I_d Es la corriente continua del diodo.
• Ⅴ_d es el voltaje de polarización directa.
• I_s es la corriente de saturación inversa.
• n es un factor de idealidad entre 1 y 2 (germanio: 1, silicio: 2).

En aplicaciones de potencia y alta frecuencia, un parámetro muy importante es el tiempo de recuperación. Este es el tiempo desde el momento en que la corriente cruza cero hasta el momento en que la corriente inversa cae al 25% de su pico máximo. Desafortunadamente, este es el factor limitante para la cantidad de corriente continua y la frecuencia de operación.

Conversión de fuente de alimentación de CA a fuente de alimentación constante

En todos los hogares del mundo, la electricidad llega a través de las líneas eléctricas, alternando por motivos de transporte. La mayoría de las aplicaciones de energía funcionan con voltajes de CC. Por lo tanto, necesitamos convertir este voltaje de CA sinusoidal (frecuencia de 50 o 60 Hz) en un voltaje de CC. Obtener voltaje DC es muy fácil. Un transformador y un rectificador de diodos convierten la entrada de CA en CC. Las dimensiones del transformador pueden ser muy importantes cuando la potencia involucrada es alta. Pero hoy siempre tratamos de evitar transformadores voluminosos y caros.

Los componentes de salida continua deben estar perfectamente nivelados y libres de ondulaciones y armónicos utilizando condensadores de filtrado grandes. Si existe la teoría de que este tipo de sistema puede obtener un voltaje perfectamente continuo, en la práctica ocurrirán varios fenómenos, lo que desafortunadamente resultará en una ligera caída en la señal de salida. La función del capacitor es cargarlo a un valor cercano al pico de la tensión alterna y mantener este nivel el mayor tiempo posible. Solo la diferencia de potencial del diodo impide alcanzar el valor pico máximo con precisión. Muchos factores, en primer lugar, la baja impedancia de la carga descargará el condensador, creando una señal de “ondulación” con una frecuencia dos veces mayor que la señal de entrada de CA. En la figura 2 podemos ver el circuito clásico para convertir corriente alterna en corriente continua. Consta de los siguientes componentes eléctricos y electrónicos:

• V0p Fuente de alimentación de CA sinusoidal de 325 V (aproximadamente 230 V RMS).
• Un transformador de voltaje ideal de 40 V.
• Rectificador con puente Graetz formado por cuatro diodos de recuperación ultrarrápida RFN20TF6S (Vr = 600 V, Id = 20 A).
• condensadores de filtrado electrolítico de gran capacidad (filtros);
• Carga resistiva de 10 ohmios, consumo de energía promedio de 90 W.

Un circuito con un capacitor electrolítico de nivelación adecuado (aproximadamente 47000 uF) tiene los siguientes voltajes en varios nodos:

• V(a,b): fuente de alimentación de CA de 650 Vpp y 50 Hz (-325 V, 0 V, +325 V)
• V (c, d): voltaje convertido y reducido por un transformador igual a 64 Vpp (-32 V, 0 V, +32 V)
• V(e): voltaje CC 30 V (con condensador de suavizado)
• V(e): voltaje pulsante de 40V0p (sin condensador de suavizado)

Se recomienda examinar cuidadosamente todos los oscilogramas en el gráfico de la misma figura, con referencia a los nodos A, B, C, D y E. La eficiencia de este circuito es de alrededor del 75% y el transformador obviamente soportará la potencia requerida por la carga. En algunos casos, la corriente distorsionada absorbida por la carga puede distorsionar la forma de onda de la tensión de alimentación.

Figura 2: Un circuito típico de conversión de CA a CC con oscilogramas relativos en varios nodos.

ondas

Una señal de ondulación está presente en este tipo de circuito. condensador de filtro y el de la carga (ver Figura 3). El porcentaje de ondulación es inversamente proporcional a la resistencia de la carga y al valor del condensador del filtro. A menudo, el voltaje suministrado por la fuente de alimentación lleva un “rastro” del voltaje de la red de CA en forma de una ondulación más o menos grande superpuesta al voltaje de CC. Estas ondas son de diente de sierra y duplican la frecuencia de entrada. La ondulación se debe a la corriente absorbida por la carga. La fase de descarga del condensador se produce entre media onda y Cuanto menor sea la corriente absorbida por la carga y mayor sea la capacitancia del condensador, menor será el valor de la tensión de ondulación. En fuentes de alimentación más simples, el componente que suaviza el voltaje de salida es un capacitor electrolítico. Hay varias fórmulas para determinar su valor ideal. Por supuesto, el valor del condensador dependerá del porcentaje de ondulación que pueda tolerar. De hecho, un capacitor con un valor de capacitancia menor tendrá un mayor porcentaje de ondulación que un capacitor con un valor de capacitancia mayor. Una fórmula simple que devuelve el valor del capacitor a usar es:

Dónde está:

• Niño: es la capacitancia del capacitor, expresada en faradios.Si quieres microfaradios simplemente multiplica el valor por 1000000
• I_producción: es la corriente máxima de salida
• F: es la frecuencia de media onda positiva, en este caso 100 Hz
• Ⅴ_ondas: es el voltaje de ondulación pico a pico resultante.

este artículo Publicado por primera vez en la revista hermana Power Electronics News