Cuprins

6.1 Redresor

Un redresor este un dispozitiv electric care convertește curent alternativ (AC) în curent continuu (DC), un proces cunoscut sub numele de rectificare. Redresoarele au multe utilizări, inclusiv ca componente ale surselor de alimentare și ca detectoare de modulare a amplitudinii (detectoare de plic) a semnalelor radio. Redresoarele sunt realizate cel mai frecvent folosind diode în stare solidă, dar pot fi utilizate alte tipuri de componente atunci când sunt implicate tensiuni sau curenți foarte mari. Când se folosește o singură diodă pentru a rectifica AC (prin blocarea porțiunii negative sau pozitive a formei de undă), diferența dintre termenul diodă și termenul de redresor este pur și simplu una dintre utilizări. Termenul redresor descrie o diodă care este utilizată pentru a converti AC în CC. Majoritatea circuitelor redresoare conțin un număr de diode într-un aranjament specific pentru a converti mai eficient puterea de curent alternativ în curent continuu decât este posibil cu o singură diodă.

6.1.1 Redresare pe jumătate de undă

În rectificarea pe jumătate de undă, fie jumătatea pozitivă, fie cea negativă a undei AC este trecută, în timp ce cealaltă jumătate este blocată. Deoarece doar jumătate din forma de undă de intrare ajunge la ieșire, este eficientă doar cu 50% dacă este utilizată pentru transferul de energie. Redresarea pe jumătate de undă poate fi realizată cu o singură diodă într-o singură fază de alimentare așa cum se arată în figura 6.1, sau cu trei diode într-o sursă trifazată.

diode

Figura 6.1 Redresor cu jumătate de undă folosind o diodă

Tensiunea de ieșire DC a unui redresor cu jumătate de undă, având o intrare sinusoidală, poate fi calculată cu următoarele ecuații ideale:

6.1.2 Rectificare cu undă completă

Un redresor cu undă completă convertește atât jumătățile pozitive, cât și cele negative ale formei de undă de intrare într-o singură polaritate (pozitivă sau negativă) la ieșirea sa. Prin utilizarea ambelor jumătăți ale formei de undă de curent alternativ, rectificarea cu undă completă este mai eficientă decât jumătatea de undă.

Când se folosește un transformator simplu fără un secundar central, sunt necesare patru diode în locul celei necesare pentru rectificarea pe jumătate de undă. Patru diode dispuse în acest fel sunt numite pod de diode sau redresor de pod, așa cum se arată în figura 6.2. Redresorul de punte poate fi, de asemenea, utilizat pentru traducerea unei intrări DC de polaritate necunoscută sau arbitrară într-o ieșire de polaritate cunoscută. Acest lucru este în general necesar în telefoanele electronice sau alte dispozitive de telefonie în care polaritatea DC pe cele două fire ale telefonului este necunoscută. Există, de asemenea, aplicații pentru protecția împotriva inversării accidentale a bateriei în circuitele alimentate cu baterie.

Figura 6.2 Redresor cu punte: un redresor cu undă completă care folosește 4 diode.

Figura 6.3 Redresor cu undă completă utilizând un transformator cu filet central și 2 diode.

Dacă este inclusă o a doua pereche de diode ca în figura 6.4, pot fi generate atât tensiuni de polaritate pozitive, cât și negative, în raport cu robinetul central al transformatorului. Se poate vedea, de asemenea, acest aranjament ca același lucru cu adăugarea unei robinete centrale la înfășurarea secundară în redresorul de undă completă din figura 6.2.

Figura 6.4 Polaritate duală Redresor cu undă completă utilizând un transformator cu filet central și 4 diode.

Redresoare cu diode de activitate ALM1000

6.1.3 Netezirea ieșirii redresorului

Redresarea pe jumătate de undă sau pe undă completă nu produce o tensiune continuă DC așa cum am văzut în figurile anterioare. Pentru a produce o tensiune continuă DC de la o sursă de curent alternativ, este necesar un filtru sau un circuit de netezire. În cea mai simplă formă, acesta poate fi doar un condensator plasat pe ieșirea continuă a redresorului. Va rămâne în continuare o cantitate de tensiune alternativă în cazul în care tensiunea nu este complet netezită. Amplitudinea ondulației rămase depinde de cât de mult descarcă capacitatea condensatorului între vârfurile formei de undă.

Figura 6.5 (a) Filtru RC cu redresor pe jumătate de undă

Figura 6.5 (b) Filtru RC cu redresor cu undă completă

Dimensiunea condensatorului de filtrare, C1, reprezintă un compromis. Pentru o sarcină dată, RL, un condensator mai mare va reduce ondularea, dar va costa mai mult și va crea curenți de vârf mai mari în transformatorul secundar și în alimentarea cu acesta. În cazuri extreme în care multe redresoare sunt încărcate pe un circuit de distribuție a energiei, se poate dovedi dificil pentru rețeaua de distribuție a energiei să mențină o formă de undă de tensiune sinusoidală corect formată.

Pentru o ondulare tolerabilă dată, dimensiunea necesară a condensatorului este proporțională cu curentul de sarcină și invers proporțională cu frecvența de alimentare și cu numărul de vârfuri de ieșire ale redresorului pe ciclu de intrare. Curentul de încărcare și frecvența de alimentare sunt în general în afara controlului proiectantului sistemului de redresare, dar numărul de vârfuri pe ciclu de intrare poate fi afectat de alegerea proiectării redresorului. Tensiunea maximă de ondulare prezentă pentru un circuit redresor cu undă completă nu este determinată doar de valoarea condensatorului de netezire, ci de frecvența și curentul de sarcină și se calculează ca:

Un redresor cu jumătate de undă, figura 6.5 (a), va da doar un vârf pe ciclu și din acest motiv și din alte motive este utilizat numai în surse de alimentare foarte mici și în care costul și complexitatea sunt preocupante. Un redresor cu undă completă, figura 6.5 (b) atinge două vârfuri pe ciclu și acesta este cel mai bun lucru care se poate face cu intrarea monofazată. Pentru intrările trifazate, o punte trifazată va da șase vârfuri pe ciclu și se poate obține un număr chiar mai mare de vârfuri utilizând rețele de transformatoare plasate înaintea redresorului pentru a converti într-o ordine de fază mai mare.

Pentru a reduce în continuare această ondulare, poate fi folosit un filtru LC π (pi-filter), așa cum se arată în figura 6.6. Aceasta completează condensatorul rezervorului, C1, cu un inductor de serie, L1 și un al doilea condensator de filtrare, C2, astfel încât să se poată obține o ieșire continuă DC la bornele condensatorului de filtrare final. Inductorul de serie prezintă o impedanță ridicată la frecvența curentului de ondulare.

Figura 6.6 Filtru LC π (filtru pi)

O alternativă mai obișnuită la un filtru și esențială în cazul în care sarcina de curent continuu necesită o tensiune de alimentare foarte lină, este urmarea condensatorului filtrului cu un regulator de tensiune pe care îl vom discuta în secțiunea 6.3. Condensatorul filtrului trebuie să fie suficient de mare pentru a împiedica utilizarea jgheaburilor de undă sub tensiunea de cădere a regulatorului. Regulatorul servește atât pentru îndepărtarea ultimei ondulații, cât și pentru a face față variațiilor în caracteristicile de alimentare și încărcare. Ar fi posibil să utilizați un condensator de filtru mai mic (care poate fi mare pentru sursele de alimentare cu curent mare) și apoi să aplicați unele filtrări, precum și regulatorul, dar aceasta nu este o strategie comună de proiectare. Extrema acestei abordări este de a renunța complet la condensatorul filtrului și de a pune forma de undă rectificată direct într-un filtru de intrare inductor. Avantajul acestui circuit este că forma de undă a curentului este mai netedă și, în consecință, redresorul nu mai trebuie să se ocupe de curent ca un impuls mare de curent doar la vârfurile undei sinusoidale de intrare, ci în schimb livrarea curentului este răspândită în ciclu. Dezavantajul este că tensiunea de ieșire este mult mai mică - aproximativ media unui semiciclu de curent alternativ, mai degrabă decât vârful.

6.2 Redresoare de dublare a tensiunii

Redresorul simplu pe jumătate de undă poate fi construit în două versiuni cu dioda îndreptată în direcții opuse, o versiune conectează terminalul negativ al ieșirii direct la sursa de curent alternativ și cealaltă conectează terminalul pozitiv al ieșirii direct la sursa de curent alternativ. Combinând ambele acestea cu condensatori de netezire a ieșirii separate, este posibil să obțineți o tensiune de ieșire de aproape dublul tensiunii de intrare AC de vârf, figura 6.7. Acest lucru oferă, de asemenea, un robinet în mijloc, care permite utilizarea unui astfel de circuit ca o sursă divizată (pozitivă și negativă).

Figura 6.7 Dublor de tensiune simplu.

O variantă a acestuia este utilizarea a două condensatoare în serie pentru netezirea ieșirii pe un redresor de punte, apoi plasarea unui comutator între punctul mediu al acestor condensatoare și unul dintre terminalele de intrare AC. Cu comutatorul deschis, acest circuit va acționa ca un redresor de pod normal, cu acesta închis, va acționa ca un redresor de dublare a tensiunii. Cu alte cuvinte, acest lucru face mai ușor să obțină o tensiune de aproximativ 320V (+/- în jur de 15%) DC de la orice sursă de alimentare din lume, aceasta putând fi alimentată apoi într-o sursă de alimentare cu comutare relativ simplă.

Revizuirea secțiunii:

6.3 Dioda Zener ca regulator de tensiune

Diodele Zener sunt utilizate pe scară largă ca referințe de tensiune și ca regulatori de șunt pentru a regla tensiunea în circuitele mici. Când este conectat în paralel cu o sursă de tensiune variabilă, cum ar fi dioda redresorului pe care tocmai am discutat-o, astfel încât să fie polarizată invers, dioda zener conduce atunci când tensiunea atinge tensiunea de rupere inversă a diodei. Din acel moment, impedanța relativ scăzută a diodei menține tensiunea pe diodă la acea valoare.

Figura 6.8 Referința tensiunii diodei Zener

În cazul acestei referințe simple, curentul care curge în diodă este determinat folosind legea lui Ohm și căderea de tensiune cunoscută pe rezistorul RS.

Valoarea RS trebuie să îndeplinească două condiții:

O sarcină poate fi plasată peste diodă în acest circuit de referință și, atâta timp cât zenerul rămâne în pană inversă, dioda va furniza o sursă de tensiune stabilă sarcinii. Diodele Zener din această configurație sunt adesea utilizate ca referințe stabile pentru circuite mai complicate de reglare a tensiunii care implică trepte de amplificator tampon pentru a furniza curenți mari sarcinii.

Regulatoarele de șunt sunt simple, dar cerințele ca rezistența de balast, RS, să fie suficient de mici pentru a evita căderea excesivă de tensiune în timpul celui mai rău caz de operare (tensiune de intrare scăzută concomitentă cu curent de sarcină mare) tinde să lase mult curent care curge în diodă a timpului, făcând un regulator destul de ineficient, cu o disipare ridicată a puterii, adecvat doar pentru sarcini mai mici.

Aceste dispozitive sunt, de asemenea, întâlnite, de obicei în serie cu o joncțiune bază-emițător, în etape de tranzistor unde alegerea selectivă a unui dispozitiv centrat în jurul punctului avalanșă sau zener poate fi utilizată pentru a introduce echilibrarea coeficientă a temperaturii de compensare a joncțiunii PN a tranzistorului. Un exemplu de acest tip de utilizare ar fi un amplificator de eroare de curent continuu utilizat într-un sistem de buclă de feedback al circuitului de alimentare cu energie reglementată.

Ca o notă laterală: diodele zener sunt, de asemenea, utilizate în protecțiile de supratensiune pentru a limita vârfurile de tensiune tranzitorie. O altă aplicație notabilă a diodei zener este utilizarea zgomotului cauzat de defectarea avalanșei sale într-un generator de numere aleatorii care nu se repetă niciodată.

Exemplu de proiectare a regulatorului:

Este necesară o tensiune de ieșire de 5V, iar curentul de ieșire necesar este de 60mA.

Trebuie să determinăm tensiunea nominală de intrare și trebuie să fie cu câțiva volți mai mare decât V Z. Pentru acest exemplu vom folosi V IN = 8V.

De regulă, alegem curentul nominal prin zener să fie 10% din curentul de sarcină de ieșire necesar sau 6mA. Aceasta determină apoi curentul Imax = 66mA care va curge prin RS (curent de ieșire plus 10%).

Rezistorul de serie RS = (8V - 4.7V)/66mA = 50Ω, am alege RS = 47Ω, care este cea mai apropiată valoare standard.

Puterea nominală a rezistorului PRS> (8V - 4.7V) × 66mA = 218mW, deci alegem PRS = 0,5W

Puterea maximă care ar putea fi disipată în zener atunci când există curent zero în sarcina de ieșire poate fi calculată ca PZ> 4.7V × 66mA = 310mW, deci am alege PZ = 400mW.

ADALM2000 Activitate de laborator: Regulator diodă Zener