Este artículo examinará las diferentes fallas de un rectificador de puente de diodo para proporcionar información sobre la solución de problemas de una fuente de alimentación de CA / CC.
Las fuentes de alimentación de CA / CC son ampliamente utilizadas en diferentes tipos de equipos electrónicos. Cuando uno falla, ¿cómo podemos determinar la causa?
Este artículo lo guiará a través de una fuente de alimentación de ejemplo y explicará algunas de las posibles razones por las cuales podría experimentar un fracaso.
Para poder resolver los problemas de manera efectiva, deberá comprender su circuito. Trabajaremos con un ejemplo de suministro de CA / CC, que convierte 230 VCA en 5 VCC. Su diagrama de bloques se muestra en la Figura 1 a continuación.
Primero, primero hagamos una breve revisión de cada uno de estos bloques.
El transformador convierte la electricidad de la red de alto voltaje a un voltaje de CA más bajo. Por ejemplo, si queremos generar 12V CC, el transformador puede diseñarse para generar un voltaje de CA de amplitud 22V como se muestra en la Figura 2.
El rectificador convierte el voltaje de CA en un voltaje de CC como se muestra en la Figura 3. Esto se hace invirtiendo la parte negativa del voltaje de CA para generar un voltaje positivo. El resultado es un voltaje de CC porque la corriente ahora puede fluir en una sola dirección a través de una carga hipotética (no se muestra en la figura). Sin embargo, todavía hay grandes variaciones en el voltaje y la corriente y no se puede utilizar como suministro de CC para alimentar circuitos electrónicos. La Figura 3 indica una propiedad muy importante de la salida del rectificador: dado que la parte negativa se invierte en valores positivos, la salida del rectificador es una señal periódica con un período que es la mitad del período de la entrada. Por lo tanto, si la entrada es una señal de 50 Hz, la frecuencia de salida será de 100 Hz. Esta observación puede ser útil para solucionar problemas de una fuente de alimentación de CA / CC.
Para deshacerse de las grandes fluctuaciones, aplicamos un filtro de paso bajo a la salida del rectificador. El filtro dará formas de onda similares a las curvas rojas en la Figura 4.
Como todavía hay algunas ondulaciones, podemos aplicar la salida del filtro a un regulador que utiliza los conceptos de retroalimentación para suprimir aún más las fluctuaciones y generar el voltaje de CC deseado.
Examinemos las fallas relacionadas con el rectificador de puente de diodo y el filtro de paso bajo como se muestra en la Figura 5.
Ahora que estamos familiarizados con nuestro ejemplo, podemos comenzar a discutir algunos problemas comunes a los que se nos puede solicitar que solucionen los problemas.
En cada semiciclo de la entrada $$ V_ {AC1} $$, dos de los cuatro diodos estarán encendidos. Por ejemplo, cuando $$ V_ {AC1} $$ es positivo, D1 y D2 conducirán la corriente mientras que D3 y D4 bloquean la corriente (inversa). Para el próximo semiciclo, D3 y D4 conducirán. Si alguno de estos cuatro diodos tiene un fallo de circuito abierto, se omitirá el semiciclo correspondiente y el circuito actuará como un rectificador de media onda. La Figura 6 muestra el efecto de un diodo de falla en la salida de voltaje.
Como puede ver, la magnitud de las ondas ha aumentado en un factor de aproximadamente dos. Además, la curva relacionada con un diodo fallido tiene un período el doble del período de la curva azul porque el circuito fallado actúa como un rectificador de media onda. Por lo tanto, cuando hay un diodo de apertura errónea, la frecuencia de $$ V_ {DC1} $$ será la misma que VAC1. Con un circuito en funcionamiento, las ondulaciones ocurrirán a una frecuencia dos veces mayor que la frecuencia de entrada. Usando un osciloscopio, podemos verificar fácilmente el funcionamiento de un rectificador de puente de diodo. Si la frecuencia de la red eléctrica es de 50 Hz, la frecuencia de las fluctuaciones debe ser de 100 Hz. Este es un ejemplo de los casos en que un osciloscopio es mucho más útil que un multímetro.
En la sección anterior, asumimos que el diodo tiene una falla de circuito abierto. Sin embargo, un diodo fallado también puede cortocircuito. En este caso, el diodo exhibirá una pequeña resistencia en ambas direcciones. Las razones comunes para la falla de un diodo son una corriente directa excesiva y un gran voltaje inverso. Por lo general, una tensión inversa grande conduce a un diodo en corto, mientras que la sobrecorriente hace que falle y se abra.
Veamos cómo un diodo en cortocircuito afectará a un rectificador de onda completa. Suponga que D1 en la Figura 5 está en cortocircuito y ahora el circuito es como se muestra en la Figura 7.
Supongamos que $$ V_ {AC1} $$ es positivo. En este caso, D2 estará activado y tanto D3 como D4 tendrán polarización inversa. La corriente fluirá a través de la carga y el diodo D2 regresará al secundario del transformador tal como lo hizo en la Figura 5. Por lo tanto, asumiendo que los diodos son ideales y tienen una caída de tensión directa cero, el semiciclo positivo no será afectados por el diodo de corto circuito. Pero ¿qué pasa con el semiciclo negativo? Cuando $$ V_ {AC1} $$ se convierte en negativo, D3 se encenderá. La corriente fluirá de regreso al transformador a través del diodo de corto circuito en lugar de la carga. Por lo tanto, $$ V_ {DC1} $$ será cero y se aplicará una gran tensión directamente a D3. La corriente directa excesiva puede hacer que el D3 falle y se abra. El transformador y el diodo de corto circuito (D1) son los otros dos componentes que probablemente se queman y se abren.
Las fuentes de alimentación de CA / CC generalmente usan condensadores electrolíticos para suprimir las ondulaciones. Estos condensadores ofrecen una alta capacitancia para un voltaje de operación dado (tienen la capacitancia disponible más alta multiplicada por el voltaje o CV). Además, este alto CV se consigue a un precio asequible.
A pesar de estas ventajas, los condensadores electrolíticos tienen sus limitaciones. Un inconveniente importante es que tienen una esperanza de vida mucho más corta que otros condensadores. Esto se debe al hecho de que el electrolito dentro del capacitor se evapora con el tiempo y la capacitancia disminuye. Al final de la vida útil del condensador, la capacitancia disminuirá en aproximadamente un 20%.
También vale la pena tener en cuenta que la resistencia equivalente en serie (ESR) del condensador aumenta con el uso. Una ESR más grande genera más calor y el calor es el factor principal que puede acelerar la evaporación del electrolito. Esto conducirá a una situación de fuga térmica.
El punto es que los condensadores electrolíticos son probablemente los primeros componentes que fallarán en un sistema electrónico diseñado adecuadamente. El diseñador ignora este problema de confiabilidad para simplemente reducir los costos. Con el envejecimiento, la capacitancia disminuirá y tendremos ondulaciones más grandes en $$ V_ {DC1} $$. Hemos utilizado un $$ C_L = 220 μF $$ y $$ R_L = 1 k Omega $$ para crear los gráficos de este artículo. Reduzcamos $$ C_L $$ en un 20% para visualizar el efecto del envejecimiento del condensador (ignoramos el aumento de ESR para simplificar las cosas). Con $$ C_L = 176 μF $$, obtenemos la curva roja en la Figura 8.
Como se esperaba, un condensador más pequeño conduce a mayores fluctuaciones. Por lo tanto, cuando las ondulaciones son más grandes de lo esperado, debemos examinar la frecuencia de las ondulaciones: si la frecuencia es el doble de la frecuencia de entrada, los diodos funcionan correctamente y probablemente haya algún problema con el capacitor.
Los condensadores electrolíticos suelen fallar abiertos. De hecho, la capa de óxido de aluminio, que forma el dieléctrico del condensador, tiene propiedades de auto recuperación y generalmente puede corregir un pequeño cortocircuito de inmediato. Sin embargo, todavía hay posibilidades de tener un capacitor con fugas donde aparece una resistencia relativamente pequeña en paralelo con el capacitor. Si esta resistencia de fuga es tan pequeña, el condensador parecerá estar en cortocircuito. La aplicación de una tensión inversa al condensador puede conducir a un componente con fugas. Algo que puede pasar cuando se fabrica un tablero por primera vez. En este caso, el circuito se puede modelar como se muestra en la Figura 9.
La resistencia de fuga hará que la descarga del condensador sea más rápida, por lo que tendremos ondulaciones más grandes similares a las curvas rojas de la Figura 8. Si la resistencia de fuga es tan pequeña, la salida se cortará a tierra. En consecuencia, un condensador en corto puede hacer que los diodos o el transformador dejen de estar abiertos.
En este artículo, examinamos las diferentes fallas de un rectificador de puente de diodo para proporcionar información sobre la solución de problemas de una fuente de alimentación de CA / CC. Vimos que la frecuencia de las ondulaciones de salida se puede examinar para verificar si el puente de diodo está funcionando correctamente o no. Además, la magnitud de las ondulaciones nos puede dar algunas pistas sobre los problemas del condensador del filtro.
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