Gelijkrichterschakelingen: Fundamenten, Werking en Ontwerprichtlijnen

1. Wat is een Gelijkrichterschakeling?

Meestal hebben elektronische apparaten gelijkrichterschakelingen die AC-naar-DC-conversie in voedingssystemen mogelijk maken. Dit schakelinggebruik is in lage-vermogen apparaten, zoals batterijladders, om de lage spanning geproduceerd in gelijkrichting te rectificeren. Om de gelijkrichterschakeling te begrijpen, moeten we leren over het gelijkrichtingsproces. Gelijkrichting is verantwoordelijk voor het veranderen van negatieve delen van AC van het net in positieve DC-spanningen. Bij het opzetten van uw ideale systeem, hebt u de juiste gelijkrichter nodig. Daarom is het begrijpen van de gelijkrichter en configuratie van diodes belangrijk om uw systeem op te zetten.

Een gelijkrichter is een elektrisch apparaat dat wisselstroom van de netspanning omzet in een enkelrichtings gelijkstroom. Het werkt het simpelst door de netspanning AC-spanning van de stroomnetten te veranderen naar DC-spanning. Het meest belangrijk, veel apparaten waar we op vertrouwen vereisen DC.

De term gelijkrichter komt omdat het apparaat de richtingsstroom van de stroom recht trekt. Het gebruik van elektronische filters om de gelijkrichteruitgang glad te strijken is een groeiende trend. Gevolgelijk hebben moderne silicium halfgeleider gelijkrichters de uitgang van selenium-gebaseerde gelijkrichters, mechanische gelijkrichters, koper-oxide gelijkrichters en buis-gelijkrichters veroorzaakt.

Mechanische en buis-gelijkrichters (gebruikt in kathodestraalbuizen) waren inefficiënt door hoge interne weerstand. Echter, koper-oxide en selenium-gebaseerde gelijkrichters hebben een betere momentane spannings tolerantie dan SCR (Silicium Gecontroleerde Gelijkrichter). Het is een groot voordeel ten opzichte van silicium-diodes.

2. Typen Gelijkrichters

Enige-fase en Drie-fase Gelijkrichters

Zowel in enkele-fase als drie-fase gelijkrichters, ervaren ze halfgolf-gelijkrichting en volledig-golf-gelijkrichting. Enige-fase gelijkrichters hebben een invoer van 1-fase netvoeding van AC-vermogen. De structuren zijn erg simpel. Ze hebben één, twee of vier diodes nodig (afhankelijk van het type systeem). Voor enkele-fase AC, is er een hoge rimpelfactor gegenereerd. Dit is omdat de diodes verbinden met de secundaire wikkeling van de enkele-fase transformator. Ook gebruikt het slechts een enkele fase van de transformatorsecundaire spoel voor gelijkrichting. Aan de andere kant, bij drie-fase gelijkrichters, hebben structuren drie of zes diodes nodig. Verminderde rimpelspanning treedt op omdat alle diodes verbonden zijn met elke fase van de transformatorsecundaire wikkeling. Het creëert verder een hoge transformator benuttingfactor.

Voordelen van enkele-fase gelijkrichter

• Geschikt voor simpele structuren

Voordelen van drie-fase gelijkrichter

• Eerst, het is meest gewenst bij het gebruik van grote systemen
• Tweedens, het levert grote hoeveelheden vermogen
• Daarnaast, vereist geen additionele filtercomponenten om RF te verminderen
• Is efficiënt en heeft meer TUF

Nadelen van enkele-fase gelijkrichters

• Om te beginnen, het levert een kleine hoeveelheid vermogen
• Bovendien, heeft lagere transformator benuttingfactor (TUF)

Halfgolf en Volledig-golf Gelijkrichters

In halfgolf-gelijkrichting, blokkeert de gelijkrichter volledig een half van het pulserende invoersignaal. Dan levert het slechts de helft in elke volledige cyclus. Het betekent dat de helft van de AC-voedingsspanning verspild raakt. Halfgolf-gelijkrichting vereist een enkele diode enkele-fase voeding of drie in een drie-fase voeding. Het gemiddelde niveau van de gelijkgerichte spanning is de helft van het niveau van de invoerspanning. Echter, de positieve spanning heeft hetzelfde piek AC invoerspanningsniveau als de invoerspanning. Er zijn twee manieren om een halfgolf-gelijkrichter te ontwerpen. Bijvoorbeeld, in het eerste model, verbindt de AC-voeding direct met de negatieve terminal van de uitgang. Het volgende ontwerp heeft de wisselstroomvoeding direct verbonden met de positieve terminal van de uitgang.

Voordelen

• Eerst, het heeft een hoge spanningsuitgang
• Ook, het is goedkoop omdat het slechts één diode in vermogens-gelijkrichting gebruikt.
• Ten slotte, vereist geen voedingstransformator

Volledig-golf Gelijkrichter

Deze gelijkrichter keert de verloren of geblokkeerde negatieve invoer AC-bronsignaal om. Als resultaat verbetert het de gemiddelde waarde van het uitgangssignaal. Het verdubbelt ook de frequentie van de invoer AC-spanningsgolfvorm, een functie die de halfbrug-gelijkrichter niet kan uitvoeren. En in de gegenereerde golfvorm zijn de invoerpieken en uitvoerpieken gelijk.

Twee veelgebruikte methoden in het ontwerpen van volledig-golf gelijkrichters zijn: center-tapped transformator en diodebrug-schakeling. Het werkt ook als een actieve regulator, waardoor de meerderheid van de stroomdoorlaat naar de belastingsschakeling gaat.

Voordelen

• Allereerst, heeft hoge gelijkrichtingsefficiëntie (81.2%)
• Tweedens, het heeft een lagere RF (0.48)
• Daarnaast, heeft een relatief hoge TUF

Nadelen

• Eerst, het vereist een transformator om te draaien
• Helaas, het ondergaat tamelijk grote interne weerstand van de netspanning AC
• Ten slotte, het gebruikt dubbele diodes die duur kunnen zijn

Vormfactor: De vormfactor is de verhouding van de RMS-waarde van de stroom tot de DC-uitgangsstroom. De vormfactor van een volledig-golf gelijkrichter is 1.11.

BrugGelijkrichter

Een brug gelijkrichter is een AC-naar-DC-converter die hoofdaf AC-invoer gelijkricht naar DC-uitvoer. De brugschakeling is een gelijkrichter die gebruikt wordt in voedingen die DC-spanning leveren voor elektrische apparaten en elektronische componenten. Een eenvoudige brug gelijkrichter gebruikt normaal een belastingweerstand. Als resultaat garandeert dit dat de stroom die erdoor vloeit gelijk is door zowel de negatieve als positieve half-cycli. De brug gelijkrichter is een van de meest voorkomende onderdelen van elektronische voedingen.

De brug gelijkrichter-indeling heeft vier aangrenzende diodes, ook bekend als diodebruggen. Piekinverse spanning is de hoogst geregistreerde spanning van de diode wanneer verbonden in omgekeerde biasing in de negatieve halfcyclus. Tijdens de positieve halfcyclus zijn twee diodes in de geleidende plek. Het overige paar is in de niet-geleidende positie van de brug-gelijkrichting. De gelijkrichteruitgang wordt over de belastingweerstand geregistreerd.

Voordelen van de Brug Gelijkrichter

• Eerst, het heeft een hogere gelijkrichtingsefficiëntie (81.2%)
• Ook, het heeft verlaagde rimpelspanning
• Geen transformator nodig in brug gelijkrichter operatie
• Daarnaast, heeft hoge TUF wanneer geweegd met een center-tap gelijkrichter
• Ten slotte, het bereikt hoge frequenties door gebruik van eenvoudige filtering

Nadelen

• Eerst, heeft hogere kosten van brug gelijkrichter constructie omdat het vier diodes gebruikt
• Heeft verminderde uitgangsspanning door spanningsval in het systeem
• Opnieuw, de systeemconfiguraties zijn tamelijk ingewikkeld
• Ten slotte, het ervaart grote interne weerstand bij operatie met lagere spanningen.

De brug gelijkrichter is goed. In de eerste AC-cyclus, zijn diodes D2 en D4 voorwaarts gebias, dus geleidend. De positieve spanning is op de anode van D2, terwijl de kathode-terminal van D4 een negatieve spanning heeft. De eerste helft van het signaal passeert door deze twee diodes. Tijdens de tweede helft van de cyclus, zijn diodes D1 en D3 voorwaarts gebias, dus geleidend. Het algehele effect is dat de twee helften van de AC kunnen doorlopen. Daarna wordt de negatieve helft geïnverteerd, en het wordt positief.

Onbeheerste en Beheerste Gelijkrichters

Onbeheerste Gelijkrichters De naam onbeheerste gelijkrichters verwijst naar het gelijkrichtert type dat vaste DC-uitgangsspanning levert voor een bepaalde AC-voeding. Onbeheerste gelijkrichters gebruiken alleen diodes en kunnen ofwel volledig-golf beheerst of halfgolf beheerst gelijkrichter zijn. Echter, ze zijn minder efficiënt omdat diodes alleen aan of uit kunnen zijn.

Beheerste Gelijkrichters Deze schakeling converteert AC-voeding naar DC-voeding met behulp van thyristoren om de voeding naar de belasting te controleren. Halfgolf beheerste gelijkrichter bestaat uit een enkele SCR (Silicium Gecontroleerde Gelijkrichter). Ze hebben hetzelfde ontwerp als onbeheerste gelijkrichters, maar ze gebruiken SCR in plaats daarvan. Halfgolf beheerste gelijkrichters beperken vermogensverspilling omdat ze constante vermogenscontrole bieden.

3. Hoe Gelijkrichterschakelingen Werken in Elektronica

Werkingsprincipe van Gelijkrichterschakelingen Gelijkrichterschakelingen werken simpelweg door de AC-voeding om te zetten in een DC-voeding. Het omvat diodes vergrendeld over het systeem om een alleen-voorwaartse beweging van elektronen te creëren om apparaten te voeden. Wanneer AC door een gelijkrichterschakeling vloeit, elimineren de diodes negatieve spanningszwaaien van de AC-bron. Daarom laat het alleen de positieve spanning over. Een eenvoudige diode laat alleen stroom in één richting vloeien, blokkeert stroomdoorlaat in de omgekeerde richting.

4. Voorzorgsmaatregelen voor het Ontwerp van de Gelijkrichterschakeling

Er zijn voorzorgsmaatregelen die u moet overwegen bij het ontwerpen van een gelijkrichterschakeling in elk elektrisch apparaat. Om te verduidelijken, bespreken we de belangrijkste voorzorgsmaatregelen die de keuze van gelijkrichterontwerp beïnvloeden.

Positieve Half-cyclus

Tijdens de positieve half-cyclus is de spanning die over de anode en kathode verschijnt positief. Het betekent dat de diode voorwaarts gebias is. Aannemend dat de schakeling verbindt met een ideale diode en de vermogensrating constant is. Piekspanning is Vm, aangeduid als de piekspanningswaarde zonder spanningsval. Echter, we moeten de spanningsval op bepaalde diodes overwegen als een siliciumdiode met 0.7V (spanningsval). Het wordt alleen voorwaarts gebias wanneer de toegepaste invoerspanning de drempelspanning (0.7V) overschrijdt. Daarom begint de schakeling te geleiden. Piekspanning = Vm – 0.7V (spanningsval).

Negatieve Half-cyclus

Het is anders met een negatieve half-cyclus omdat de spanning die over de anode en kathode verschijnt negatief is. De diode in de gelijkrichterschakeling krijgt omgekeerde biasing, dus fungeert als een open schakelaar. Het leidt tot geen stroomvloeien. Dit resulteert in nul spanning lezing op de uitgang. Bovendien, in de negatieve half-cyclus, zelfs na overweging van de gebruikte diode, is de spanning over de diode negatief. Wat betekent dat de lezing op de uitgang nog steeds 0V zal zijn.

Spanningsval:

Netspanning draagt meestal veel vermogen. Het gedeeltelijke vermogensverlies van het elektrische potentieel van een stroom tijdens het bewegen door een schakeling heet spanningsval. VD = (2 * L * R * I) / 1000

Berekenen van Warmteverlies in de Gelijkrichter:

Meestal is dit de warmte die verloren gaat in het gelijkrichtingsproces als spanningsval en weerstand optreden binnen de diodes. Daarom is kennis van spanningsval van specifieke diodes die in de schakeling gebruikt worden belangrijk. P_warmte (Vermogensverlies) = P_max (Maximale uitgangsvermogen van het systeem) / Eff (Efficiëntie van de gelijkrichtermodel) – P_max (Maximale uitgangsvermogen van het systeem).

De Piekinverse Spanning:

PIV verwijst naar de maximale spanning die een diode in omgekeerde biasing kan weerstaan. Als overschreden, kunnen de diodes afbreken. De piekinverse spanning is gelijk aan de invoerspanning. De piekinverse spanning (PIV) = 2Vs max = 2V_smax.

5. De Gladstrijkcondensator

Een gladstrijkcondensator is een systeem dat variaties in de levering van een signaal uitgelijkt. Ze worden voornamelijk toegepast na een gelijkrichter of voedingsspanning. Tijdens de half-cycli worden gladde overgangen gecreëerd wanneer de condensator oplaadt en ontlaadt. Het oplaadproces treedt op wanneer stroom vloeit door de positieve half-cycli.

Volledig-golf Gelijkrichter met Gladstrijkcondensator

De gladstrijkcondensator helpt de onvolledige uitgangsimpel over de diodes te verbeteren. Dus, de gladstrijkcondensator wordt parallel over de diodes aangesloten om een constante spanning in de belastingsschakeling te handhaven. De belastingplaatsing valt over de uitgang van de volledig-golf brug-gelijkrichter. De condensator verhoogt dan de DC-uitgang. Als resultaat converteert de gladstrijkcondensator de gerimpelde uitgang van de gelijkrichter in een gladere DC-uitgang. De rimpelspanning is omgekeerd evenredig met de waarde van de gladstrijkcondensator. De twee waarden zijn gerelateerd door V_rimpel = I_belasting / (f x C). Als alternatief kan men een spanningsregelaar geïntegreerde schakeling gebruiken voor een constante DC-voeding.

5uF Gladstrijkcondensator

De lading en capaciteit door een 5uF Gladstrijkcondensator variëren afhankelijk van de verbinding binnen de schakeling. De equivalente capaciteit zal de som zijn van alle condensators die in de schakeling verbonden zijn voor een condensator in een parallelle verbinding.

50uF Gladstrijkcondensator

Hetzelfde principe geldt hier voor een 50uF Gladstrijkcondensator. De spanning in een parallelle schakelingverbinding is hetzelfde voor alle condensators. Echter, de 50uF maakt een sterkere gladstrijkcondensator vergeleken met de 5uF condensator.

6. Conclusie

Een breed scala aan apparaten die gelijkrichterschakelingen gebruiken, is in dit artikel vastgelegd. Een toepassing is spanningsregelaars, terwijl een ander veelvoorkomend gebruik voedingscomponenten en amplitudemodulatiedetectors (AMD) omvat die gebruikt worden voor radiosignalen. Het apparaat was ook eens algemeen bekend als een kristaldetector in vroege radio-ontvangers. We hopen dat dit artikel al uw vragen over gelijkrichterschakelingen beantwoordt. Neem gerust contact met ons op voor de basiscomponenten om uw gelijkrichterschakeling te maken. Uitkijkend naar het assisteren in uw projecten.