Diodos (4) - Rectificadores

Un diodo rectificador (rectifier diodes) es uno de los dispositivos de la familia de los diodos más sencillos. El nombre diodo “rectificador” procede de su aplicación, la cual consiste en separar los ciclos positivos de una señal de corriente alterna.

Si se aplica al diodo una tensión de corriente alterna durante los medios ciclos positivos, se polariza en forma directa; de esta manera, permite el paso de la corriente eléctrica.

Pero durante los medios ciclos negativos, el diodo se polariza de manera inversa; con ello, evita el paso de la corriente en tal sentido.

Durante la fabricación de los diodos rectificadores, se consideran tres factores: 

1. la frecuencia máxima en que realizan correctamente su función, 
2. la corriente máxima en que pueden conducir en sentido directo y 
3. las tensiones directa e inversa máximas que soportarán. 

Siendo estas dos últimas (a corriente máxima promedio que pueden conducir en la polarización directa y por el voltaje máximo que pueden soportar en la polarización inversa) las características principales que los suelen definir. . Los más conocidos, para circuitos electrónicos comunes, son los de la serie 1N4001, 1N4002, hasta el 1N4007.

De acuerdo a la potencia manejada (corriente y voltaje), éstos se dividen en

1. diodos de señal y 
2. diodos de potencia. 

Los de señal o de baja potencia son aquellos que manejan menos de 1 amperio, y los de potencia, los que trabajan con corrientes superiores a 1 amperio. El encapsulado de éstos depende de la potencia que deben disipar. En los de baja potencia se usa el plástico y para las potencias superiores a 5W, el encapsulado debe ser metálico, cuando las potencias son muy altas el encapsulado debe ofrecernos la posibilidad de conectarlo a un disipador de calor.

Una de las aplicaciones clásicas de los diodos rectificadores, es en las fuentes de alimentación; aquí, convierten una señal de corriente alterna en otra de corriente directa.

En una próxima entrada explicaremos todos los detalles sobre como rectificar una señal analógica.

Hay un tipo especial de diodo rectificador el cual viene encapsulado conteniendo los cuatro diodos que hemos necesitado en la imagen anterior para rectificar la seña alterna en un único encapsulado compacto, llamado puente rectificador, esto  facilita mucho la construcción de circuitos rectificadores de onda completa.

También hay diodos rectificadores llamados de diodos de conmutación (switching diodes) los que trabajan a frecuencias mayores que los diodos normales. Entre los más conocidos tenemos el 1N914 y el 1N4148.

Comportamiento de un inductor cuando se interrumpe el circuito que lo alimenta

Nota: Post adaptado de Wikipedia.

Examinemos el comportamiento práctico de un inductor cuando se interrumpe el circuito que lo alimenta.  Esto nos permitirá mejor entender la función de los diodos de protección en los circuitos en los que usemos, relés, motores o bobinas.

En la imagen de arriba aparece un inductor (que puede ser por ejemplo el solenoide del relé que vayamos a usar en nuestro proyecto) que se carga a través una resistencia y un interruptor (por ejemplo los pulsos que le mande nuestro Arduino cuando lo estime oportuno con objeto de activar o desactivar el relé). 

En realidad, no existen inductores perfectos, y todos ellos llevan asociada una pequeña capacidad parásita, que podemos representarla gráficamente de forma punteada.

Está dibujado separado del inductor, pero en realidad forma parte de él, porque representa las capacidades parásitas de las vueltas del devanado entre ellas mismas.

Cuando el interruptor se abre (que viene a ser lo mismo que cuando nuestro Arduino decide dejar de alimentar una bobina o un relé), la corriente solo puede circular cargando las capacidades parásitas.

Para que la corriente que atraviesa el inductor se detenga instantáneamente, seria necesario la aparición de una tensión infinita, y eso es imposible. Por esa razón la corriente continúa circulando a través de las capacidades parásitas de la bobina, el único camino que en principio tiene disponible, cargando negativamente el punto alto del condensador en el dibujo.

En este momento , el de la interrupción de la corriente, tendríamos un circuito del tipo RLC que oscilará con una frecuencia igual a la inversa de la raíz cuadrada del producto de L por C. Siendo C la capacidad parásita de nuestro elemento inductivo.

Si los aislamientos del devanado son suficientemente resistentes a las altas tensiones, y si el interruptor interrumpe bien el circuito, la oscilación continuará con una amplitud que se amortiguará debido a las pérdidas dieléctricas y resistivas de las capacidades parásitas y del conductor del inductor. Si además, el inductor tiene un núcleo ferromagnético, habrá también pérdidas en el núcleo.

Como vemos en la fórmula anterior, las oscilaciones dependerán de la inductancia y de la capacidad parásita. A continuación os ponemos un par de ejemplos con capacidades de distinto tamaño para que se entienda mejor su implicación.

Hay que ver que la tensión máxima (conocida como "sobretensión") de la oscilación puede ser muy muy grande, ya que el máximo de la tensión corresponde al momento en el cual toda la energía almacenada en la bobina (que es el producto de la inductancia de la bobina por el cuadrado de la corriente que circula divido entre dos) 

habrá pasado a las capacidades parásitas (cuya energía es el producto de la capacidad por el cuadrado del voltaje dividido entre dos) . 

Y como las capacidades son pequeñas las tensiones resultante son muy elevadas y pueden producirse arcos eléctricos entre vueltas de la bobina o entre los contactos abiertos del interruptor.

SI  NO SE PRODUCE ARCO,

el comportamiento que tendríamos cuando abriéramos el interruptor sería algo parecido a esto:

que por la magnitud de la tensión, podemos ya imaginar el daño que podría ocasionar a la electrónica más delicada que encontrara en su camino.

SI  SE PRODUCE ARCO

entre los contactos del interruptor, el circuito no estará verdaderamente abierto y la corriente continuará circulando. Los arcos no deseados constituyen un problema serio y difícil de resolver cuando se utilizan altas tensiones y grandes potencias.

A continuación presentamos gráficamente el momento en el que se provoca el arco y su comportamiento:

En el instante  t1 se produce un arco que dura hasta el instante t2. A partir de ese momento, la inductancia oscila con las capacidades parásitas. En punteado la corriente y la tensión que habría si el arco no se produjese.

Cuando las corrientes son pequeñas, el arco se enfría rápidamente y deja de conducir la electricidad. En el dibujo de la derecha hemos ilustrado un caso particular que puede producirse, pero que solo es uno de los casos posibles. Hemos ampliado la escala del tiempo alrededor de la apertura del interruptor y de la formación del arco.

Después de la apertura del interruptor, la tensión a los bornes de la inductancia aumenta (con signo contrario). En el instante t1 la tensión es suficiente para crear un arco entre dos vueltas de la bobina. El arco presenta poca resistencia eléctrica y descarga rápidamente las capacidades parásitas. La corriente, en lugar de continuar cargando las capacidades parásitas, comienza a pasar por el arco. Hemos dibujado el caso en el cual la tensión del arco es relativamente constante. La corriente del inductor disminuye hasta que al instante t2 sea demasiado pequeña para mantener el arco y este se apaga y deja de conducir. La corriente vuelve a pasar por las capacidades parásitas y esta vez la oscilación continúa amortiguándose y sin crear nuevos arcos, ya que esta vez la tensión no alcanzará valores demasiado grandes.