Gelijkrichterschakelingen: van halfgolf tot polyfasige volgolf ontwerpen

Wat is gelijkrichting?

Gelijkrichting is de omzetting van wisselstroom (AC) in gelijkstroom (DC) met behulp van apparaten die stroom slechts in één richting toestaan. De halfgeleiderdiode is het meest gangbare element dat deze functie uitvoert in moderne voedingen.

Halfgolf gelijkrichting

In een halfgolf gelijkrichter bereikt slechts de helft van elke AC-cyclus de last, wat een pulserend DC-signaal produceert met significante harmonische inhoud. Deze eenvoudige topologie is nuttig voor laagvermogen of illustratoire toepassingen, zoals een tweestand dimmer die volledige AC-vermogen levert in de "vol" stand en halfgolf-gegelijkrichte vermogen in de "dim" stand (zie figuur).

Tijdens de "dim" stand ontvangt de gloeilampdraad ruwweg de helft van het vermogen dat hij onder volledige AC zou ontvangen. Omdat de thermische tijdconstante van de draad groot is, veroorzaken de snelle vermogenpulsen geen zichtbaar knipperen; in plaats daarvan werkt de draad bij een lagere stationaire temperatuur, wat verminderde lichtopbrengst oplevert.

Volgolf gelijkrichters

Volgolf gelijkrichters vangen beide helften van de AC-cyclus, wat een gladder DC-golfvorm oplevert. Twee gangbare configuraties zijn de midden-tap en brugontwerpen.

Midden-tap ontwerp

Met een transformator met een midden-getapte secundaire en twee diodes, stuurt elke helft van de secundaire de last tijdens afwisselende half-cycli (zie figuur). Deze topologie vereist een speciale midden-getapte transformator, wat duur kan zijn voor hoogvermogen toepassingen.

Tijdens de positieve half-cyclus geleidt de bovenste diode en blokkeert de onderste; tijdens de negatieve half-cyclus keren de rollen om. In beide gevallen ziet de last een positieve-polariteit golfvorm.

Brugontwerp

De vier-diode brug elimineert de noodzaak voor een midden-getapte transformator. Stroom vloeit door twee diodes in serie voor elke polariteit, wat resulteert in een 1,4 V val voor siliciumdiodes—een nadeel bij zeer lage uitgangsspanningen.

Diode stroomrichtingen voor de positieve en negatieve helften van de input worden hieronder getoond.

Voor betere mnemonische herinnering, toont een alternatieve layout alle diodes in horizontale oriëntatie, allemaal in dezelfde richting wijzend.

Polyfasige volgolf brug gelijkrichters

Het uitbreiden van het brugconcept naar polyfasige voedingen levert gladder DC-uitgang op omdat gefaseerde pulsen overlappen. Een driefase brug produceert zes pulsen per AC-cyclus; een zesfase brug produceert twaalf pulsen, wat de rimpelspanning aanzienlijk verlaagt.

Rimpelspanning

Alle gelijkrichters produceren een AC-component—gerimpelde spanning genoemd—supergeponeerd op de DC-uitgang. In hoogvermogen of precisietoepassingen worden filternetwerken ingezet om deze rimpel te onderdrukken.

Pulseringsconventies

Gelijkrichters worden vaak beschreven door het aantal DC-pulsen dat ze per elektrische rotatie genereren: 1-puls (halfgolf), 2-puls (volgolf), 6-puls (driefase volgolf), enz. De standaardnotatie 1Ph1W1P, 1Ph1W2P, 1Ph2W2P, 3Ph2W6P, etc., vat beknopt fase, stroomrichting en pulsaantal samen.

Boven de zes pulsen: 12-puls configuraties

Door transformatoren met 30° faseverschuivingen (Y-Δ of Δ-Y verbindingen) in te zetten, kunnen twee 3-fase brug gelijkrichters parallel geschakeld worden om 12 pulsen per cyclus te produceren, wat de rimpel verder verlaagt. Deze techniek is gangbaar in grootschalige industriële voedingen.

Kernpunten

• Gelijkrichting converteert AC naar DC met apparaten die eenrichtingsstroom toestaan.
• Halfgolf gelijkrichters zijn eenvoudig maar produceren sterk pulserende DC.
• Volgolf gelijkrichters—midden-tap of brug—leveren gladder DC en zijn geschikt voor de meeste voedingen.
• Polyfasige gelijkrichting levert nog gladder DC met lagere rimpel, voordelig voor hoogvermogen, lage-ruis toepassingen.

Gerelateerde werkbladen

• Gelijkrichterdiodes werkblad