Gelijkrichtercircuit:de algemene basis, werking en vereisten uitgelegd

Gewoonlijk hebben elektronische apparaten een gelijkrichtcircuit dat AC-naar-DC-conversie in voedingssystemen mogelijk maakt. Dit circuitgebruik is in apparaten met een laag vermogen, zoals batterijladers, om de lage spanning die bij de rectificatie wordt geproduceerd te corrigeren.

Om het gelijkrichtercircuit te begrijpen, moeten we meer te weten komen over het rectificatieproces. Rectificatie is verantwoordelijk voor het veranderen van negatieve AC-bits van de netvoeding in positieve DC-spanningen. Bij het opzetten van uw ideale systeem heeft u de juiste gelijkrichter nodig. Daarom is het voor u belangrijk om de gelijkrichter en de configuratie van diodes te begrijpen om uw systeem in te stellen.

(Elektronische componenten)

1. Wat is een gelijkrichterschakeling?

Een gelijkrichter is een elektrisch apparaat dat wisselstroom van de netspanning omzet in een unidirectionele gelijkstroom. Het werkt het eenvoudigst door de wisselspanning van de hoofdvoeding van het elektriciteitsnet te wijzigen in gelijkspanning. Het belangrijkste is dat veel apparaten waarop we vertrouwen, gelijkstroom nodig hebben.

De term gelijkrichter is omdat het apparaat de gerichte stroom van stroom recht maakt. Het gebruik van elektronische filters om de output van de gelijkrichter af te vlakken is een groeiende trend. Bijgevolg zorgden moderne siliciumhalfgeleidergelijkrichters ervoor dat op selenium gebaseerde gelijkrichters, mechanische gelijkrichters, koperoxide-gelijkrichters en vacuümbuisgelijkrichters verdwenen.

Mechanische en vacuümbuisgelijkrichters (gebruikt in kathodestraalbuizen) waren inefficiënt vanwege de hoge interne weerstand. Op koperoxide en selenium gebaseerde gelijkrichters hebben echter een betere kortstondige spanningstolerantie dan SCR (Silicon Controlled Rectifier). Het is een enorm voordeel ten opzichte van siliciumdiodes.

(Transformator wisselstroom naar gelijkstroom met diodebrug en condensator)

2. Soorten gelijkrichters

Eenfasige en driefasige gelijkrichters.

In zowel enkelfasige als driefasige gelijkrichters ervaren ze halfgolf-rectificatie en full-wave-rectificatie.

Enkelfasige gelijkrichters hebben een ingang van een 1-fase netvoeding van wisselstroom. De structuren zijn heel eenvoudig. Ze hebben één, twee of vier diodes nodig (afhankelijk van het type systeem).

Voor enkelfasige AC wordt een hoge rimpelfactor gegenereerd. Dit komt omdat de diodes zijn aangesloten op de secundaire wikkeling van de enkelfasige transformator. Het gebruikt ook slechts een enkele fase van de secundaire spoel van de transformator voor rectificatie.

Aan de andere kant hebben structuren in driefasige gelijkrichters drie of zes diodes nodig. Er treedt een verminderde rimpelspanning op wanneer alle diodes worden aangesloten op elke fase van de secundaire wikkeling van de transformator. Het creëert verder een hoge gebruiksfactor van de transformator.

Voordelen van enkelfasige gelijkrichter

• Geschikt voor eenvoudige constructies

Voordelen van driefasige gelijkrichter

• Ten eerste heeft dit de meeste voorkeur bij het gebruik van grote systemen
• Ten tweede levert het grote hoeveelheden stroom
• Vereist bovendien geen extra filtercomponenten om RF te verminderen
• Is efficiënt en heeft meer TUF

Nadelen van enkelfasige gelijkrichters

• Om te beginnen levert het een kleine hoeveelheid stroom.
• Bovendien heeft het minder transformatorgebruiksfactor (TUF)

(Diodes)

Halvegolf en full-wave gelijkrichters

In halve golf rectificatie blokkeert de gelijkrichter de helft van het pulserende ingangssignaal volledig. Levert dan slechts de helft in elke volledige cyclus. Het betekent dat de helft van de AC-stroombron wordt verspild.

Voor halffasige gelijkrichting is een enkelfasige voeding met één diode nodig of drie in een driefasige voeding. Het gemiddelde niveau van de gelijkgerichte spanning is de helft van het niveau van de ingangsspanning. De positieve spanning heeft echter hetzelfde piek-AC-ingangsspanningsniveau als de ingangsspanning.

Er zijn twee manieren om een ​​halfgolfgelijkrichter te ontwerpen. In het eerste model is de AC-voeding bijvoorbeeld rechtstreeks verbonden met de negatieve pool van de uitgang. Het volgende ontwerp heeft de wisselstroomvoeding rechtstreeks aangesloten op de positieve pool van de uitgang.

Voordelen

• Ten eerste heeft het een hoogspanningsuitgang
• Het is ook goedkoop omdat het slechts één diode gebruikt voor stroomrectificatie.

Ten slotte heeft het geen voedingstransformator nodig

Volledige gelijkrichter

Deze gelijkrichter keert het verloren of geblokkeerde negatieve AC-ingangssignaal om. Als resultaat verbetert het de gemiddelde waarde van het uitgangssignaal. Het verdubbelt ook de golfvormfrequentie van de ingangswisselspanning, een functie die de halfbruggelijkrichter niet kan uitvoeren. En in de geproduceerde golfvorm zijn de ingangspieken en uitgangspieken gelijk.

Twee veelgebruikte methoden bij het ontwerpen van dubbelfasige gelijkrichters zijn; centraal getapte transformator en diodebrugcircuit. Het werkt ook als een actieve regelaar, waardoor het grootste deel van de stroom naar het belastingscircuit vloeit.

Voordelen

• Heeft in de eerste plaats een hoge rectificatie-efficiëntie (81,2%)
• Ten tweede heeft het een lagere RF (0,48)
• Heeft bovendien een relatief hoge TUF

Nadelen

• Ten eerste heeft het een transformator nodig om te werken
• Helaas ondergaat het een vrij enorme interne weerstand van de AC-netvoeding
• Ten slotte gebruikt het dubbele diodes die duur kunnen zijn

Vormfactor:

De vormfactor is de verhouding tussen de RMS-waarde van de stroom en de DC-uitgangsstroom.

FormFactor =RMS-waarde van de huidige DC-uitgangsstroom Form Factor =RMS-waarde van de huidige DC-uitgangsstroom.

De vormfactor van een dubbelfasige gelijkrichter is 1,11.

(Afbeelding halfgolf gelijkrichterschakeling)

Bruggelijkrichter

Een bruggelijkrichter is een AC-naar-DC-omzetter die de belangrijkste AC-ingang naar DC-uitgang gelijkricht. Het brugcircuit is een gelijkrichter die wordt gebruikt in voedingen die gelijkspanning leveren voor elektrische apparaten en elektronische componenten. Een eenvoudige bruggelijkrichter maakt normaal gesproken gebruik van een belastingsweerstand. Als resultaat garandeert dit dat de stroom die er doorheen vloeit gelijk is gedurende zowel de negatieve als de positieve halve cycli. De bruggelijkrichter is een van de meest voorkomende onderdelen van elektronische voedingen.

De opstelling van de bruggelijkrichter heeft vier aangrenzende diodes, ook wel diodebruggen genoemd. Piek inverse spanning is de hoogste geregistreerde spanning van de diode wanneer aangesloten in omgekeerde voorspanning in de negatieve halve cyclus. Tijdens de positieve halve cyclus bevinden zich twee diodes op de geleidende plek. Het resterende paar bevindt zich in de niet-geleidende positie van de brugrectificatie. De uitgangsrecords van de gelijkrichter vinden plaats over de belastingsweerstand.

Voordelen van de bruggelijkrichter

• Ten eerste heeft het een hogere rectificatie-efficiëntie (81,2%)
• Ook heeft het de rimpelspanning verlaagd
• Geen transformator nodig bij gebruik van bruggelijkrichter
• Heeft bovendien een hoge TUF wanneer gewogen met een middentapgelijkrichter
• Ten slotte bereikt het hoge frequenties door eenvoudige filtering te gebruiken

Nadelen

• Ten eerste heeft het hogere kosten voor de constructie van de bruggelijkrichter omdat het vier diodes gebruikt
• Heeft een verminderde uitgangsspanning als gevolg van spanningsdalingen in het systeem
• Nogmaals, de systeemconfiguraties zijn behoorlijk ingewikkeld
• Ten slotte ervaart het een grote interne weerstand bij gebruik met lagere spanningen.

De bruggelijkrichter is goed. In de eerste AC-cyclus zijn de diodes D2 en D4 voorwaarts voorgespannen, waardoor ze geleiden. De positieve spanning staat op de anode van D2, terwijl de kathode-aansluiting van D4 een negatieve spanning heeft. De eerste helft van het signaal gaat door deze twee diodes. Gedurende de tweede helft van de cyclus zijn de dioden D1 en D3 voorwaarts voorgespannen, waardoor ze geleiden. Het totale effect is dat de twee helften van de AC er doorheen kunnen. Daarna wordt de negatieve helft omgekeerd en wordt deze positief.

(Bruggelijkrichter)

Ongecontroleerde gelijkrichters en gecontroleerde gelijkrichters

Ongecontroleerde gelijkrichters

De naam ongecontroleerde gelijkrichters verwijst naar het gelijkrichtertype dat een vaste DC-uitgangsspanning levert voor een bepaalde AC-voeding. Ongecontroleerde gelijkrichters gebruiken alleen diodes en kunnen ofwel; full wave gestuurde of een halve golf gestuurde gelijkrichter. Ze zijn echter minder efficiënt omdat diodes alleen aan of uit kunnen zijn.

Gecontroleerde gelijkrichters

Dit circuit zet AC-voeding om in DC-voeding met behulp van thyristors om de voeding naar de belasting te regelen. Halfgolfgestuurde gelijkrichter bestaat uit een enkele SCR (Silicium Controlled Rectifier). Ze hebben hetzelfde ontwerp als ongecontroleerde gelijkrichters, maar gebruiken in plaats daarvan SCR. Halfgolfgestuurde gelijkrichters beperken stroomverspilling omdat ze een constante vermogensregeling bieden.

3. Hoe gelijkrichtercircuits werken in elektronica

Werkingsprincipe van gelijkrichtercircuits

Gelijkrichtercircuits werken eenvoudig door de wisselstroombron in een gelijkstroombron te veranderen. Het bestaat uit diodes die in het systeem zijn vergrendeld om een ​​voorwaartse beweging van elektronen te creëren om apparaten van stroom te voorzien. Wanneer AC door een gelijkrichtercircuit stroomt, elimineren de diodes negatieve spanningsschommelingen van de AC-bron. Daarom verlaat het alleen de positieve spanning. Een eenvoudige diode laat alleen stroom in één richting toe en blokkeert stroom in de omgekeerde richting.

Deze afbeelding toont een AC-spanningsgolfvorm van een gelijkrichtdiode. De huidige golfvorm heeft afwisselende intervallen tussen korte spanningsverhogingen en perioden zonder spanning. Het is een gelijkstroom omdat het alleen positieve spanning heeft.

(Diodebrugdiagram)

4. Voorzorgsmaatregelen voor het ontwerp van het gelijkrichtercircuit

Er zijn voorzorgsmaatregelen waarmee u rekening moet houden bij het ontwerpen van een gelijkrichtercircuit in een elektrisch apparaat. Ter verduidelijking bespreken we de belangrijkste voorzorgsmaatregelen die van invloed zijn op de keuze van het ontwerp van de gelijkrichter.

Positieve halve cyclus

Tijdens de positieve halve cyclus is de spanning die over de anode en kathode verschijnt positief. Het betekent dat de diode voorwaarts is voorgespannen. Ervan uitgaande dat het circuit is aangesloten op een ideale diode en dat het vermogen constant is. Piekspanning is Vm, de piekspanningswaarde zonder spanningsdalingen.

We moeten de spanningsval op bepaalde diodes echter beschouwen als een siliciumdiode met 0,7 V (spanningsval). Het wordt alleen voorwaarts voorgespannen wanneer de aangelegde ingangsspanning de drempelspanning (0,7 V) overschrijdt. Daarom begint de schakeling te geleiden.

Piekspanning =Vm – 0,7 V (spanningsdaling)

Negatieve halve cyclus

Het is anders met een negatieve halve cyclus, omdat de spanning die over de anode en kathode verschijnt negatief is. De diode in het gelijkrichtercircuit wordt omgekeerd voorgespannen en fungeert daarom als een open schakelaar. Het leidt tot geen stroom van stroom. Dit resulteert in een nulspanning aan de uitgang.

Bovendien is in de negatieve halve cyclus, zelfs na het beschouwen van de gebruikte diode, de spanning over de diode negatief. Dit betekent dat de uitlezing aan de uitgang nog steeds 0V zal zijn.

Spanning daalt:

Netspanning draagt ​​meestal veel stroom. Het gedeeltelijke vermogensverlies van het elektrische potentieel van een stroom tijdens het bewegen door een circuit wordt spanningsval genoemd.

VD=(2*L*R*I) / 1000

Berekening van de in de gelijkrichter gedissipeerde warmte:

Meestal is dit de warmte die verloren gaat in het rectificatieproces als de spanning daalt en er weerstand optreedt in de diodes. Daarom is kennis van spanningsdalingen van specifieke diodes die in het circuit worden gebruikt, belangrijk.

Pheat (vermogensverlies) =Pmax (maximaal uitgangsvermogen van het systeem) / Eff (efficiëntie van de gelijkrichtermodule) – Pmax (maximaal uitgangsvermogen van het systeem.

De piek inverse spanning:

PIV verwijst naar de maximale spanning die een diode kan weerstaan ​​in omgekeerde voorspanning. Bij overschrijding kunnen de diodes dus kapot gaan. De inverse piekspanning is gelijk aan de ingangsspanning.

De piek inverse spanning (PIV) =2Vs max =2V_smax .

5. De afvlakkingscondensator

Een afvlakcondensator is een systeem dat variaties in de toevoer van een signaal egaliseert. Ze worden voornamelijk toegepast na een gelijkrichter of voedingsspanning. Tijdens de halve cycli worden vloeiende overgangen gecreëerd wanneer de condensator wordt opgeladen en ontladen. Het laadproces vindt plaats wanneer de stroom door de positieve halve cycli vloeit.

Full-wave gelijkrichter met afvlakcondensator

De afvlakcondensator helpt de onvolledige uitgangsrimpel over de diodes te verbeteren. De afvlakcondensator wordt dus parallel geschakeld over diodes om een ​​constante spanning in het belastingscircuit te behouden.

De belastingsplaatsing valt over de uitgang van de dubbelfasige bruggelijkrichter. De condensator verhoogt dan de DC-uitgang. Als gevolg hiervan zet de afvlakcondensator de gegolfde uitgang van de gelijkrichter om in een vloeiendere DC-uitgang.

De rimpelspanning is omgekeerd evenredig met de waarde van de afvlakcondensator. De twee waarden zijn gerelateerd door

V_rimpeling =ik_laad /(fxC)

Als alternatief kan men een geïntegreerde schakeling van een spanningsregelaar gebruiken voor een constante DC-voeding.

5uF afvlakkingscondensator

De lading en capaciteit via een 5uF Smoothing Capacitor variëren afhankelijk van de verbinding binnen het circuit. De equivalente capaciteit is de som van alle condensatoren die in het circuit zijn aangesloten voor een condensator in een parallelle verbinding.

50uF afvlakkingscondensator

Hetzelfde principe geldt hier ook voor een 50uF Smoothing Capacitor. De spanning in een parallelschakeling is voor alle condensatoren gelijk. De 50uF maakt echter een sterkere afvlakcondensator in vergelijking met de 5uF-condensator.

(Afbeelding van condensatoren)

6. Conclusie

In dit artikel is een breed scala aan apparaten vastgesteld die gelijkrichtcircuits gebruiken. Een toepassing is spanningsregelaars, terwijl een ander veelgebruikt gebruik voedingscomponenten en amplitudemodulatiedetectoren (AMD's) omvat die worden gebruikt voor radiosignalen. Het apparaat was ook ooit algemeen bekend als een kristaldetector in vroege radio-ontvangers.

We hopen dat dit artikel al uw vragen over gelijkrichtercircuits beantwoordt. Neem gerust contact met ons op voor de basiscomponenten van het maken van uw gelijkrichterschakeling. Ik kijk ernaar uit om te helpen bij uw projecten.