Instrumento tipo rectificador | Principio de construcción y funcionamiento
Instrumento de tipo rectificador mide el voltaje y la corriente alternados con la ayuda de elementos rectificadores e instrumentos de bobina móvil de imán permanente. Sin embargo, la función principal de los instrumentos de tipo rectificador es funcionar como voltímetro. Ahora, una pregunta debe surgir en nuestra mente: ¿por qué usamos ampliamente los instrumentos de tipo rectificador en el mundo industrial, aunque tengamos varios otros voltímetros CA como instrumentos de tipo electrodinamómetro, instrumentos de tipo termopar, etc.? La respuesta a esta pregunta es muy simple y se explica a continuación.
El costo de los instrumentos de tipo electrodinamómetro es bastante alto en comparación con los instrumentos de tipo rectificador. Sin embargo, los instrumentos de tipo rectificador son tan precisos como los instrumentos de tipo electrodinamómetro. Por lo tanto, se prefieren los instrumentos de tipo rectificador sobre los instrumentos de tipo electrodinamómetro.
Los instrumentos de tipo termopar son más delicados que los instrumentos de tipo rectificador. Sin embargo, los instrumentos de tipo termopar se utilizan más ampliamente en frecuencias muy altas.
Antes de examinar el principio de construcción y funcionamiento de los instrumentos de tipo rectificador, es necesario discutir en detalle las características de voltaje y corriente de los elementos rectificadores ideales y prácticos llamados diodos.
Vamos a discutir primero las características ideales del elemento rectificador. ¿Qué es un elemento rectificador ideal? Un elemento rectificador es aquel que ofrece resistencia cero si está polarizado en directa y ofrece resistencia infinita si está polarizado en inversa.
Esta propiedad se utiliza para rectificar los voltajes (la rectificación significa convertir una cantidad alterna en una cantidad directa, es decir, de CA a CC). Considere el diagrama de circuito dado a continuación.
En el diagrama de circuito dado, el diodo ideal está conectado en serie con la fuente de voltaje y la resistencia de carga. Cuando hacemos que el diodo esté polarizado en directa, conduce perfectamente ofreciendo un camino de resistencia eléctrica cero. Así, se comporta como un cortocircuito. Podemos hacer que el diodo esté polarizado en directa conectando el terminal positivo de la batería con el ánodo y el terminal negativo con el cátodo. La característica en directa del elemento rectificador o diodo se muestra en la característica de voltaje-corriente.
Ahora, cuando aplicamos un voltaje negativo, es decir, conectando el terminal negativo de la batería con el terminal de ánodo del diodo y el terminal positivo de la batería con el terminal de cátodo del diodo. Debido a la polarización en inversa, ofrece una resistencia eléctrica infinita y, por lo tanto, se comporta como un circuito abierto. Las características completas de voltaje-corriente se muestran a continuación.
Consideremos de nuevo el mismo circuito, pero la diferencia es que aquí estamos utilizando un elemento rectificador práctico en lugar de uno ideal. El elemento rectificador práctico tiene un cierto voltaje de bloqueo en directa y un alto voltaje de bloqueo en inversa. Aplicaremos el mismo procedimiento para obtener las características de voltaje-corriente del elemento rectificador práctico. Cuando hacemos que el elemento rectificador práctico esté polarizado en directa, no conduce hasta que el voltaje aplicado no sea mayor que el voltaje de ruptura en directa o, como se dice, el voltaje de rodilla. Cuando el voltaje aplicado se vuelve mayor que el voltaje de rodilla, el diodo o elemento rectificador entrará en modo de conducción. Así, se comporta como un cortocircuito, pero debido a alguna resistencia eléctrica, hay una caída de voltaje a través de este diodo práctico. Podemos hacer que el elemento rectificador esté polarizado en directa conectando el terminal positivo de la batería con el ánodo y el terminal negativo con el cátodo. La característica en directa del elemento rectificador práctico o diodo se muestra en la característica de voltaje-corriente. Ahora, cuando aplicamos un voltaje negativo, es decir, conectando el terminal negativo de la batería con el terminal de ánodo del diodo y el terminal positivo de la batería con el terminal de cátodo del elemento rectificador. Debido a la polarización en inversa, ofrece una resistencia finita y el voltaje negativo hasta que el voltaje aplicado se iguala al voltaje de ruptura en inversa y, por lo tanto, se comporta como un circuito abierto. Las características completas se muestran a continuación
Ahora, los instrumentos de tipo rectificador utilizan dos tipos de circuitos rectificadores:
Circuitos de rectificador de media onda de instrumentos de tipo rectificador
Consideremos el circuito de rectificador de media onda dado a continuación, en el cual el elemento rectificador está conectado en serie con una fuente de voltaje sinusoidal, un instrumento de bobina móvil de imán permanente y la resistencia multiplicadora.
La función de esta resistencia eléctrica multiplicadora es limitar la corriente absorbida por el instrumento de bobina móvil de imán permanente. Es muy esencial limitar la corriente absorbida por el instrumento de bobina móvil de imán permanente porque, si la corriente supera la clasificación de corriente del PMMC, destruye el instrumento. Ahora, dividimos nuestra operación en dos partes. En la primera parte, aplicamos un voltaje DC constante al circuito anterior. En el diagrama de circuito, asumimos que el elemento rectificador es ideal.
Supongamos que la resistencia de la multiplicadora es R, y la del instrumento de bobina móvil de imán permanente es R1. El voltaje DC produce una desviación a escala completa de magnitud I=V/(R+R1), donde V es el valor eficaz del voltaje. Ahora, consideremos el segundo caso, en este caso, aplicaremos un voltaje AC sinusoidal al circuito v =Vm × sin(wt) y obtendremos la forma de onda de salida como se muestra. En el semiciclo positivo, el elemento rectificador conducirá y, en el semiciclo negativo, no conducirá. Así, obtendremos un pulso de voltaje en el instrumento de bobina móvil que produce una corriente pulsante, lo que genera un par pulsante.
La desviación producida corresponderá al valor promedio del voltaje. Calculemos, entonces, el valor promedio de la corriente eléctrica, para calcular el valor promedio del voltaje, debemos integrar la expresión instantánea del voltaje desde 0 a 2 pi. Así, el valor promedio calculado del voltaje resulta ser 0.45V. Nuevamente, tenemos que V es el valor eficaz de la corriente. Por lo tanto, concluimos que la sensibilidad de la entrada de CA es 0.45 veces la sensibilidad de la entrada de CD en el caso del rectificador de media onda.
Circuitos de rectificador de onda completa de instrumentos de tipo rectificador
Consideremos un circuito de rectificador de onda completa dado a continuación.
Hemos utilizado aquí un circuito de rectificador de puente como se muestra. De nuevo, dividimos nuestra operación en dos partes. En la primera, analizamos la salida al aplicar el voltaje DC y, en la otra, aplicamos el voltaje AC al circuito. Una resistencia multiplicadora en serie está conectada en serie con la fuente de voltaje, que tiene la misma función que se describió anteriormente. Consideremos el primer caso, aquí aplicamos una fuente de voltaje DC al circuito. Ahora, el valor de la corriente de desviación a escala completa en este caso es nuevamente V/(R+R1), donde V es el valor eficaz del voltaje aplicado, R es la resistencia de la resistencia multiplicadora y R1 que es la resistencia eléctrica del instrumento. R y R1 están marcados en el diagrama de circuito. Ahora, consideremos el segundo caso, en este caso, aplicaremos un voltaje AC sinusoidal al circuito que se da v = Vmsin(wt) donde Vm es el valor pico del voltaje aplicado, si volvemos a calcular el valor de la corriente de desviación a escala completa en este caso aplicando el mismo procedimiento, obtendremos una expresión de corriente a escala completa como .9V/(R+R1). Recuerde, para obtener el valor promedio del voltaje, deberíamos integrar la expresión instantánea del voltaje de cero a pi. Así, comparándolo con la salida de CD, concluimos que la sensibilidad con la fuente de voltaje de entrada de CA es 0.9 veces la del voltaje de entrada de CD.
La onda de salida se muestra a continuación. Ahora, vamos a discutir los factores que afectan el rendimiento de los instrumentos de tipo rectificador:
Los instrumentos de tipo rectificador se calibran en términos de valores de raíz cuadrática media de ondas sinusoidales de voltaje y corriente. El problema es que la forma de onda de entrada puede o no tener el mismo factor de forma en el que se calibra la escala de estos medidores.
Puede haber algún error debido al circuito rectificador, ya que no incluimos la resistencia de los circuitos de puente rectificador en ambos casos. Las características no lineales del puente pueden distorsionar las formas de onda de corriente y voltaje.
Puede haber variaciones en la temperatura debido a las cuales la resistencia eléctrica del puente cambia, por lo que, para compensar este tipo de errores, deberíamos aplicar una resistencia multiplicadora con un coeficiente de temperatura alto.
Efecto de la capacitancia del rectificador de puente: el rectificador de puente tiene una capacitancia imperfecta, por lo que, debido a esto, pasa las corrientes de alta frecuencia. Por lo tanto, hay una disminución en la lectura.
La sensibilidad de los instrumentos de tipo rectificador es baja en el caso de la tensión de entrada de CA.
Ventajas de los instrumentos de tipo rectificador
A continuación, se presentan las ventajas de los instrumentos de tipo rectificador:
La precisión de los instrumentos de tipo rectificador es de aproximadamente el 5 por ciento en condiciones normales de operación.
El rango de frecuencia de operación se puede extender a valores altos.
Tienen una escala uniforme en el medidor.
Tienen valores de corriente y voltaje de operación bajos.
El efecto de carga de un voltímetro rectificador de CA en ambos casos (es decir, rectificador de diodo de media onda y rectificador de diodo de onda completa) es mayor en comparación con los efectos de carga de los voltímetros de CC, ya que la sensibilidad del voltímetro, ya sea usando rectificación de media onda o de onda completa, es menor que la sensibilidad de los voltímetros de CC.
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