Gelijkrichterschakelingen

Wat is rectificatie?

Nu komen we bij de meest populaire toepassing van de diode:rectificatie . Eenvoudig gedefinieerd, gelijkrichting is de omzetting van wisselstroom (AC) naar gelijkstroom (DC). Het gaat om een ​​apparaat dat alleen eenrichtingsstroom van elektrische lading mogelijk maakt. Zoals we hebben gezien, is dit precies wat een halfgeleiderdiode doet. De eenvoudigste soort gelijkrichtschakeling is de halve golf gelijkrichter. Het laat slechts de helft van een AC-golfvorm door naar de belasting. (Figuur hieronder)

Halfgolf gelijkrichterschakeling.

Halve golf rectificatie

Voor de meeste stroomtoepassingen is halfgolf-rectificatie onvoldoende voor de taak. De harmonische inhoud van de uitgangsgolfvorm van de gelijkrichter is erg groot en daarom moeilijk te filteren. Bovendien levert de wisselstroombron slechts de helft van elke volledige cyclus stroom aan de belasting, wat betekent dat de helft van zijn capaciteit niet wordt gebruikt. Halve golf rectificatie is echter een zeer eenvoudige manier om het vermogen te reduceren tot een ohmse belasting. Sommige dimmerschakelaars met twee standen passen het volledige AC-vermogen toe op de lampgloeidraad voor "volledige" helderheid en corrigeren deze vervolgens voor een lagere lichtopbrengst. (figuur hieronder)

Toepassing halfgolfgelijkrichter:dimmer met twee niveaus.

In de schakelaarstand "Dim" ontvangt de gloeilamp ongeveer de helft van het vermogen dat hij normaal zou ontvangen op wisselstroom met volledige golf. Omdat het halfgolf gelijkgerichte vermogen veel sneller pulseert dan de gloeidraad tijd heeft om op te warmen en af ​​te koelen, knippert de lamp niet. In plaats daarvan werkt de gloeidraad alleen bij een lagere temperatuur dan normaal, waardoor er minder licht wordt geproduceerd.

Dit principe van het snel "pulseren" van stroom naar een langzaam reagerend laadapparaat om de elektrische stroom die ernaar wordt gestuurd te regelen, is gebruikelijk in de wereld van industriële elektronica. Aangezien het besturingsapparaat (in dit geval de diode) op elk moment volledig geleidend of volledig niet-geleidend is, dissipeert het weinig warmte-energie terwijl het belastingvermogen wordt geregeld, waardoor deze methode van vermogensregeling zeer energiezuinig is. Deze schakeling is misschien wel de meest primitieve methode om vermogen naar een belasting te pulseren, maar het volstaat als proof-of-concept-toepassing.

Full-wave gelijkrichters

Als we de wisselstroom moeten corrigeren om het volledige gebruik van beide te verkrijgen halve cycli van de sinusgolf, moet een andere configuratie van het gelijkrichtercircuit worden gebruikt. Zo'n circuit heet een full-wave gelijkrichter. Een soort dubbelfasige gelijkrichter, genaamd de center-tap ontwerp, maakt gebruik van een transformator met een secundaire wikkeling met centrale aftakking en twee diodes, zoals in de onderstaande afbeelding.

Dubbelzijdige gelijkrichter, in het midden getapt ontwerp.

Positieve halve cyclus

De werking van dit circuit is gemakkelijk per halve cyclus te begrijpen. Beschouw de eerste halve cyclus, wanneer de polariteit van de bronspanning positief (+) bovenaan en negatief (-) onderaan is. Op dit moment geleidt alleen de bovenste diode; de onderste diode blokkeert de stroom en de belasting "ziet" de eerste helft van de sinusgolf, positief aan de bovenkant en negatief aan de onderkant. Alleen de bovenste helft van de secundaire wikkeling van de transformator voert tijdens deze halve cyclus stroom, zoals in de onderstaande afbeelding.

Dubbelzijdige middenaftakkingsgelijkrichter:de bovenste helft van de secundaire wikkeling geleidt tijdens een positieve halve ingangscyclus, waardoor een positieve halve cyclus wordt geleverd.

Negatieve halve cyclus

Tijdens de volgende halve cyclus keert de AC-polariteit om. Nu voeren de andere diode en de andere helft van de secundaire wikkeling van de transformator stroom terwijl de delen van het circuit die voorheen stroom voerden tijdens de laatste halve cyclus inactief zijn. De belasting "ziet" nog steeds de helft van een sinusgolf, van dezelfde polariteit als voorheen:positief aan de bovenkant en negatief aan de onderkant. (Figuur hieronder)

Dubbelzijdige middenaftakkingsgelijkrichter:tijdens de halve cyclus van de negatieve ingang geleidt de onderste helft van de secundaire wikkeling, waardoor een positieve halve cyclus aan de belasting wordt geleverd.

Nadelen van Full-wave gelijkrichterontwerp

Een nadeel van dit dubbelfasige gelijkrichterontwerp is de noodzaak van een transformator met een centrale secundaire wikkeling. Als het circuit in kwestie er een is met een hoog vermogen, zijn de grootte en de kosten van een geschikte transformator aanzienlijk. Daarom is het ontwerp van de gelijkrichter met middenaftakking alleen te zien in toepassingen met een laag vermogen.

Andere configuraties

De polariteit van de dubbelfasige middenaftakkingsgelijkrichter bij de belasting kan worden omgekeerd door de richting van de diodes te veranderen. Bovendien kunnen de omgekeerde diodes parallel worden geschakeld met een bestaande gelijkrichter met positieve uitgang. Het resultaat is een dubbelpolige dubbelpolige middenaftakkingsgelijkrichter in de onderstaande afbeelding. Merk op dat de connectiviteit van de diodes zelf dezelfde configuratie heeft als een brug.

Dubbele polariteit dubbelfasige middenaftakkingsgelijkrichter

Full-wave bruggelijkrichters

Er bestaat een ander, populairder ontwerp met een volledige golfgelijkrichter, en het is gebouwd rond een vier-diodebrugconfiguratie. Om voor de hand liggende redenen wordt dit ontwerp een full-wave bridge genoemd . (Figuur hieronder)

Dubbelzijdige bruggelijkrichter.

De stroomrichtingen voor het dubbelfasige bruggelijkrichtercircuit zijn zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding voor een positieve halve cyclus en de onderstaande afbeelding voor negatieve halve cycli van de AC-brongolfvorm. Merk op dat ongeacht de polariteit van de ingang, de stroom in dezelfde richting door de belasting vloeit. Dat wil zeggen, de negatieve halve cyclus van de bron is een positieve halve cyclus bij de belasting.

De stroom loopt door twee diodes in serie voor beide polariteiten. Er gaan dus twee diodedruppels van de bronspanning verloren (0,7·2=1,4 V voor Si) in de diodes. Dit is een nadeel in vergelijking met een full-wave center-tap ontwerp. Dit nadeel is alleen een probleem bij voedingen met een zeer laag voltage.

Dubbelzijdige bruggelijkrichter:stroom voor positieve halve cycli.

Dubbelzijdige bruggelijkrichter:stroom voor negatieve halve cycli.

Alternatief full-wave bruggelijkrichter schakelschema

Het onthouden van de juiste lay-out van diodes in een dubbelfasig bruggelijkrichtercircuit kan vaak frustrerend zijn voor de nieuwe student elektronica. Ik heb ontdekt dat een alternatieve weergave van dit circuit gemakkelijker te onthouden en te begrijpen is. Het is exact hetzelfde circuit, behalve dat alle diodes in een horizontale houding zijn getekend en allemaal in dezelfde richting "wijzen". (Figuur hieronder)

Alternatieve lay-outstijl voor Full-wave bruggelijkrichter.

Polyphase-versie met alternatieve lay-out

Een voordeel van het onthouden van deze lay-out voor een bruggelijkrichtercircuit is dat het gemakkelijk kan worden uitgebreid tot een meerfasige versie in het onderstaande figuur.

Driefasige dubbelfasige bruggelijkrichterschakeling.

Elke driefasige lijn is verbonden tussen een paar diodes:één om stroom naar de positieve (+) kant van de belasting te leiden en de andere om stroom naar de negatieve (-) kant van de belasting te leiden.

Meerfasige systemen met meer dan drie fasen kunnen gemakkelijk in een bruggelijkrichterschema worden ondergebracht. Neem bijvoorbeeld het zesfasige bruggelijkrichtercircuit in de onderstaande afbeelding.

Zesfasige dubbelfasige bruggelijkrichterschakeling.

Wanneer meerfase AC wordt gelijkgericht, overlappen de in fase verschoven pulsen elkaar om een ​​DC-uitgang te produceren die veel "soepeler" is (minder AC-inhoud heeft) dan die geproduceerd door de gelijkrichting van enkelfasige AC. Dit is een duidelijk voordeel in gelijkrichtercircuits met hoog vermogen, waar de pure fysieke grootte van filtercomponenten onbetaalbaar zou zijn, maar er moet gelijkstroom met een laag geluidsniveau worden verkregen. Het diagram in de onderstaande afbeelding toont de tweefasige gelijkrichting van driefasige wisselstroom.

Driefasige wisselstroom en driefasige dubbelfasige gelijkrichteruitgang.

rimpelspanning

In elk geval van rectificatie - eenfasig of meerfasig - wordt de hoeveelheid wisselspanning gemengd met de gelijkstroomuitgang van de gelijkrichter rimpelspanning genoemd. . In de meeste gevallen, aangezien "pure" DC het gewenste doel is, is rimpelspanning ongewenst. Als de vermogensniveaus niet te hoog zijn, kunnen filternetwerken worden gebruikt om de hoeveelheid rimpel in de uitgangsspanning te verminderen.

1-puls-, 2-puls- en 6-pulseenheden

Soms wordt naar de rectificatiemethode verwezen door het aantal DC-pulsen te tellen voor elke 360 ^o van elektrische "rotatie". Een enkelfasig, halfgolfgelijkrichtercircuit zou dan een 1-pulse worden genoemd gelijkrichter, omdat deze een enkele puls produceert gedurende een volledige cyclus (360 ^o ) van de AC-golfvorm. Een enkelfasige, dubbelfasige gelijkrichter (ongeacht ontwerp, middenaftakking of brug) zou een 2-pulse worden genoemd gelijkrichter omdat deze twee pulsen DC afgeeft gedurende de tijd van één AC-cyclus. Een driefasige tweefasige gelijkrichter wordt een 6-pulse genoemd eenheid.

Gelijkrichtercircuitfasen

Moderne elektrotechnische conventie beschrijft de functie van een gelijkrichterschakeling verder met behulp van een drieveldnotatie van fasen , manieren , en aantal pulsen . Een enkelfasig, halfgolfgelijkrichtercircuit krijgt de ietwat cryptische aanduiding 1Ph1W1P (1 fase, 1 manier, 1 puls), wat betekent dat de AC-voedingsspanning eenfasig is, die stroom op elke fase van de AC-voedingslijnen beweegt in slechts één richting (weg), en dat er een enkele DC-puls wordt geproduceerd voor elke 360 ^o van elektrische rotatie.

Een enkelfasig, dubbelfasig gelijkrichtercircuit met middenaftakking wordt in dit notatiesysteem aangeduid als 1Ph1W2P:1 fase, 1 richting of stroomrichting in elke wikkelhelft, en 2 pulsen of uitgangsspanning per cyclus.

Een enkelfasige, full-wave, bruggelijkrichter zou worden aangeduid als 1Ph2W2P:hetzelfde als voor het ontwerp met middenaftakking, behalve stroom, kan beide gaan manieren door de AC-lijnen in plaats van slechts één manier.

Het eerder getoonde driefasige bruggelijkrichtercircuit zou een 3Ph2W6P-gelijkrichter worden genoemd.

Is het mogelijk om meer pulsen te krijgen dan tweemaal het aantal fasen in een gelijkrichterschakeling?

Het antwoord op deze vraag is ja:vooral in meerfasecircuits. Door creatief gebruik te maken van transformatoren kunnen sets van dubbelfasige gelijkrichters zodanig parallel worden geschakeld dat meer dan zes DC-pulsen worden geproduceerd voor drie fasen van AC. Een 30 ^o faseverschuiving wordt geïntroduceerd van primair naar secundair van een driefasige transformator wanneer de wikkelconfiguraties niet van hetzelfde type zijn.

Met andere woorden, een transformator die ofwel Y-Δ of Δ-Y is aangesloten, vertoont deze 30 ^o faseverschuiving, terwijl een transformator die is aangesloten op Y-Y of Δ-Δ dat niet zal doen. Dit fenomeen kan worden benut door een transformator aangesloten Y-Y een bruggelijkrichter te laten voeden, en een andere transformator aangesloten Y-Δ een tweede bruggelijkrichter te laten voeden, en vervolgens de DC-uitgangen van beide gelijkrichters parallel te laten lopen. (Figuur hieronder)

Aangezien de golfvormen van de rimpelspanning van de uitgangen van de twee gelijkrichters 30 ^o in fase verschoven zijn van elkaar, resulteert hun superpositie in minder rimpeling dan beide gelijkrichteruitgangen afzonderlijk beschouwd:12 pulsen per 360 ^o in plaats van slechts zes:

Meerfasige gelijkrichterschakeling:3-fasen 2-weg 12-puls (3Ph2W12P)

BEOORDELING:

• Rectificatie is de conversie van wisselstroom (AC) naar gelijkstroom (DC).
• Een halve golf gelijkrichter is een circuit waarmee slechts één halve cyclus van de AC-spanningsgolfvorm op de belasting kan worden toegepast, wat resulteert in één niet-wisselende polariteit erover. De resulterende DC die aan de belasting wordt geleverd, "pulseert" aanzienlijk.
• Een volledige golf gelijkrichter is een circuit dat beide halve cycli van de AC-spanningsgolfvorm omzet in een ononderbroken reeks spanningspulsen van dezelfde polariteit. De resulterende DC die aan de belasting wordt geleverd, "pulseert" niet zo veel.
• Meerfasige wisselstroom, wanneer gelijkgericht, geeft een veel "soepelere" DC-golfvorm (minder rimpeling spanning) dan gelijkgerichte enkelfasige wisselstroom.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Diodes corrigeren