Una din aplicațiile diodei semiconductoare este transformarea tensiunii alternative ( A.C. ) în tensiune continuă ( D.C. ). Această transformare se numește redresare. Diodele care sunt folosite pentru a redresa tensiunea se numesc diode redresoare ( rectifier diode ), iar circuitul electronic care face acest lucru se numește redresor sau circuit redresor.
Redresor = un circuit care conține cel puțin un element neliniar care transformă tensiunea alternativă într-o formă de undă cu componentă continua diferită de 0. Pe lângă componenta continuă, la ieșirea redresorului se obține o componentă variabilă numită ondulație.
Redresorul este un bloc electronic din componența unei surse de curent continuu.
Schema bloc generală a unei surse de curent continuu:
Transformator = coborâtor de tensiune, reduce tensiunea de alimentare alternativă ( 230V, 110V sau altă valoare) la o tensiune , tot alternativă, necesară nouă. Ex: traf de 12V asta înseamnă că el transforma 230V in 12V curent alternativ.
Redresorul = transformă tensiunea alternativă de la ieșirea transformatorului ( din secundarul lui ) în tensiune continuă pulsatorie.
Filtrul = elimină fluctuațiile tensiunii redresate furnizând la ieșire o tensiune continuă relativ constantă.
Consumator = reprezintă sarcina sau dispozitivul care are nevoie de tensiune continuă.
În acest articol vom discuta doar despre blocul redresor ( fără filtraj ).
Există trei ( 3 ) tipuri de circuite redresoare :
Înainte de a discuta despre fiecare tip de redresor vom face câteva precizări:
Toate redresoarele au câteva caracteristici importante de care trebuie să ținem cont când proiectăm și analizăm aceste circuite:
Schema redresorului :
După cum se vede în figura de mai sus, circuitul de redresare este format din : elementul redresor ( dioda D ) și o sursă de tensiune alternativă.
Transformatorul este coborâtor de tensiune și ne dă valoarea tensiunii de vârf din secundar astfel :
\( \frac{N_{2}}{N_{1}} = \frac{E_{Sm}}{E_{Pm}} \) , unde :
\( e_{S}=E_{Sm} \times \sin ( \, \omega t ) \, \) , unde: \( \omega \) = 2 \( \pi \) f , iar f= frecventa tensiunii alternative.
În schemă, lângă dioda D, este notația \( R_{f} \) = rezistența diodei la polarizare directă.
În timpul alternanței pozitive punctul A devine mai pozitiv în raport cu punctul B, astfel dioda D este polarizată direct și permite trecerea curentului prin sarcina \( R_{L} \) . Când apare alternanța negativă punctul A devine mai negativ în raport cu punctul B, iar dioda D este polarizată invers și este blocată.
În figura următoare este prezentată funcționarea :
După cum se vede în figura de mai sus ieșirea redresorului este pulsatorie.
Curentul de sarcină (
Știm: \begin{matrix}
i_{L} = I_{m} \sin ( \, \omega t ) \ , pentru \ 0<\omega t < \pi \ ( alternanta \ pozitiva ) \\
i_{L} = 0 \ , pentru \ \pi<\omega t<2 \pi \ ( alternanta \ negativa )
\end{matrix}
\( I_{m} \) = valoarea de vârf a curentului de sarcină.
Atunci vom avea :
\( I_{DC} = \frac{1}{2 \pi} \int_{0}^{2 \pi} i_{L} d(\, \omega t )\, = \frac{1}{2 \pi} \int_{0}^{2 \pi} I_{m} \sin (\, \omega t )\, d(\, \omega t )\,\)
\( I_{DC} = \frac{I_{m}}{\pi } \) ,unde \(I_{m} = \frac{E_{Sm}}{R_{f}+R_{s}+R_{L}} \)
Tensiunea continuă pe sarcină ( \( E_{DC} \) ):
\( \left. \begin{matrix}
E_{DC} = I_{DC} \bullet R_{L}\\
I_{DC} = \frac{I_{m}}{\pi}
\end{matrix} \right \} \Rightarrow \left. \begin{matrix}
E_{DC} = \frac{I_{m}}{\pi} \bullet R_{L} = \frac{E_{Sm}}{ (\, R_{f}+R_{s}+R_{L} )\, \bullet \pi} \bullet R_{L}\\
R_{f} +R_{s}<<R_{L} \end{matrix} \right \} \Rightarrow E_{DC} = \frac{E_{Sm}}{\pi} \)
\( \Large E_{DC} = \frac{E_{Sm}}{\pi} \)
Valoarea R.M.S a curentului de sarcină ( \( I_{RMS} \) ):
\( I_{RMS} = \frac{I_{m}}{2} \)
Valoarea RMS a tensiunii pe sarcină ( \( E_{L_{RMS}} \) ):
\( \left. \begin{matrix} E_{L_{RMS}} = I_{RMS} \bullet R_{L} = \frac{I_{m}}{2} \bullet R_{L} =
\frac{E_{Sm}}{2 (\, R_{f} + R_{s} +R_{L} )\, } \bullet R_{L} \\
R_{f} +R_{s}<<R_{L} \end{matrix} \right \} \Rightarrow \Large E_{L_{RMS}} = \frac{E_{Sm}}{2} \)
Puterea la iesire ( \( P_{DC} \) ):
\( P_{DC} = E_{DC} \bullet I_{DC} = I_{DC}^2 \bullet R_{L} \) ,sau
\( P_{DC} = \frac{E_{Sm}^2}{\pi^2} \)
Puterea de intrare ( \( P_{AC} \) ):
\( \left. \begin{matrix}
P_{AC} = I_{RMS}^2 \bullet (\, R_{L}+R_{f} + R_{s} )\,\\
I_{RMS} = \frac{I_{m}}{2}
\end{matrix} \right \} \Rightarrow \left. \begin{matrix}
P_{AC} = \frac{I_{m}^2}{4} \bullet (\, R_{L}+ R_{f} +R_{s} )\, \\
R_{f} +R_{s}<<R_{L} \end{matrix} \right \} \Rightarrow \Large P_{AC} = \frac{I_{m}^2}{4} \bullet R_{L} \)
Randamentul redresării ( \( \eta \) ):
\( \eta = \frac{P_{DC}}{P_{AC}} \)
\( \left. \begin{matrix}
\eta = \frac{0,406}{(\, R_{f}+R_{s}+R_{L} )\,} \bullet R_{L}\\
R_{f} +R_{s}<<R_{L}
\end{matrix} \right \} \Rightarrow \eta = 0,406 \)
%\( \eta_{max} \) = 0,406 x 100 = 40,6% \( \Rightarrow \) maxim 40,6% din puterea alternativă este transformată în putere continuă, restul de 60% este prezentă sub formă de riplu la ieșirea redresorului.
Factorul de ondulație ( \( \gamma \) ):
\( \gamma = \frac{\sqrt{I_{RMS}^2 – I_{DC}^2}}{I_{DC}} = \sqrt{\frac{I_{RMS}}{I_{DC}}^2 – 1} \)
\( \gamma_{mono alternanta} = 1,211. \)
Tensiunea de vârf inversă pe diodă :
\( V_{PI} = E_{Sm}=\pi \bullet E_{DC} \), când \( I_{DC} = 0 \)
Efectul barierei de potențial ( \( V_{R_{L}} \) ):
\( V_{R_{L}}=E_{Sm}-0,7 \)
Redresorul mono alternanță are multe dezavantaje de aceea nu prea este utilizat în practică, dar este un bun exemplu pentru a înțelege redresarea.
Spre finalul acestui articol vă propun un exemplu de redresor mono alternanță, cu tot cu calcul și simulare, pentru o mai bună înțelegere a redresării.
Schema redresorului dublă alternanță :
, unde \( e_{S} = E_{Sm} \sin (\, \omega t )\, \)
Cum funcționează redresorul dublă alternanță.
Când avem alternanța pozitivă, punctul A este mai pozitiv în raport cu punctul B ceea ce înseamnă că dioda D1 va conduce iar dioda D2 va fi blocată ca în figura următoare :
În acest caz curentul de sarcină \( i_{L} = i_{d1} \).
Când avem alternanța negativă punctul A este mai negativ în raport cu punctul B ceea ce înseamnă că dioda D2 va conduce iar dioda D1 va fi blocată, ca în figura următoare :
În acest caz curentul de sarcină \( i_{L} = i_{d2} \).
Putem spune: redresorul dublă alternanță constă din două circuite redresoare mono alternanță ce lucrează independent unul de altul dar ” hrănind” aceiași sarcină (consumator ).
OBS!!! Ieșirea este tot pulsatorie!!!!
Curentul maxim pe sarcină ( \( I_{m} \) )
\(I_{m} = \frac{E_{Sm}}{R_{f}+R_{s}+R_{L}} \)
Curentul de sarcină ( \( I_{DC} \) ):
\( I_{DC} = \frac{2I_{m}}{\pi } \)
Tensiunea continuă pe sarcină ( \( E_{DC} \) ):
\( \left. \begin{matrix}
E_{DC} = I_{DC} \bullet R_{L}\\
I_{DC} = \frac{2I_{m}}{\pi}
\end{matrix} \right \} \Rightarrow \left. \begin{matrix}
E_{DC} = \frac{2I_{m}}{\pi} \bullet R_{L} = \frac{2E_{Sm}}{ (\, R_{f}+R_{s}+R_{L} )\, \bullet \pi} \bullet R_{L}\\
R_{f} +R_{s}<<R_{L} \end{matrix} \right \} \Rightarrow E_{DC} = \frac{2E_{Sm}}{\pi} \)
\( \Large E_{DC} = \frac{2E_{Sm}}{\pi} \)
Valoarea R.M.S a curentului de sarcină ( \( I_{RMS} \) ):
\( I_{RMS} = \frac{I_{m}}{\sqrt{2}} \)
Valoarea RMS a tensiunii pe sarcină ( \( E_{L_{RMS}} \) ):
\( \left. \begin{matrix} E_{L_{RMS}} = I_{RMS} \bullet R_{L} = \frac{I_{m}}{\sqrt{2}} \bullet R_{L} \\
\end{matrix} \right \} \Rightarrow \Large E_{L_{RMS}} = \frac{I_{m}}{\sqrt{2}} \bullet R_{L} \)
Puterea la iesire ( \( P_{DC} \) ):
\( P_{DC} = E_{DC} \bullet I_{DC} = I_{DC}^2 \bullet R_{L} \)
Puterea de intrare ( \( P_{AC} \) ):
\( \left. \begin{matrix}
P_{AC} = I_{RMS}^2 \bullet (\, R_{L}+R_{f} + R_{s} )\,\\
I_{RMS} = \frac{I_{m}}{\sqrt{2}}
\end{matrix} \right \} \Rightarrow \left. \begin{matrix}
P_{AC} = \frac{I_{m}^2}{2} \bullet (\, R_{L}+ R_{f} +R_{s} )\, \\
R_{f} +R_{s}<<R_{L} \end{matrix} \right \} \Rightarrow \Large P_{AC} = \frac{I_{m}^2}{2} \bullet R_{L} = \frac{E_{Sm}^2}{2R_{L}} \)
Randamentul redresării ( \( \eta \) ):
\( \eta = \frac{P_{DC}}{P_{AC}} =\frac{8}{\pi^2} \)
%\( \eta_{max} = \frac{8}{\pi^2} \) x 100 = 81,2% \( \Rightarrow \) maxim 81,2% din puterea alternativă este transformată în putere continuă, restul de 18,8% este prezentă sub formă de riplu la ieșirea redresorului.
Factorul de ondulație ( \( \gamma \) ):
\( \gamma = \sqrt{\left ( \frac{I_{RMS}}{I_{DC}} \right )^2 – 1} = 0,48 \)
Tensiunea de vârf inversă pe diodă :
\( V_{PI} = 2E_{Sm}=\pi \bullet E_{DC} \), când \( I_{DC} = 0 \)
Spre finalul acestui articol vă propun un exemplu de redresor mono alternanță, cu tot cu calcul și simulare, pentru o mai bună înțelegere a redresării.
Schema redresorului dublă alternanță în punte :
Când avem alternanța pozitivă a tensiunii de intrare diodele D1, D2 sunt polarizate direct ducând la deschiderea lor iar curentul va circula prin sarcină. Diodele D3, D4 sunt blocate.
Când avem alternanța negativă a tensiunii de intrare diodele D3, D4 sunt polarizate direct ducând la deschiderea lor iar curentul va circula prin ele și prin sarcină. Diodele D1, D2 sunt blocate.
Curentul maxim pe sarcină ( \( I_{m} \) ):
\(I_{m} = \frac{E_{Sm}}{R_{f}+R_{s}+R_{L}} \)
Curentul de sarcină ( \( I_{DC} \) ):
\( I_{DC} = \frac{2I_{m}}{\pi } \)
Tensiunea continuă pe sarcină ( \( E_{DC} \) ):
Valoarea R.M.S a curentului de sarcină ( \( I_{RMS} \) ):
\( I_{RMS} = \frac{I_{m}}{\sqrt{2}} \)
Puterea la iesire ( \( P_{DC} \) ):
\( P_{DC} = E_{DC} \bullet I_{DC} = I_{DC}^2 \bullet R_{L} =\frac{4}{\pi^2} \bullet I_{m}^2 \bullet R_{L} \)
Puterea de intrare ( \( P_{AC} \) ):
\( P_{AC} = I_{RMS}^2 \bullet (\, R_{L}+R_{f} + R_{s} )\, \)
Randamentul redresării ( \( \eta \) ):
\( \eta = \frac{P_{DC}}{P_{AC}} =\frac{8}{\pi^2} \)
% \( \eta_{max} = \frac{8}{\pi^2} \) x 100 = 81,2% \( \Rightarrow \) maxim 81,2% din puterea alternativă este transformată în putere continuă, restul de 18,8% este prezentă sub formă de riplu la ieșirea redresorului.
Factorul de ondulație ( \( \gamma \) ):
\( \gamma = \sqrt{\left ( \frac{I_{RMS}}{I_{DC}} \right )^2 – 1} = 0,48 \)
Nr.Crt | Parametru | mono alternanță | dublă alternanță | în punte |
1 | Număr de diode | 1 | 2 | 4 |
2 | Curentul mediu pe sarcină ( \( I_{DC} \) ) | \( \Large \frac{I_{m}}{\pi} \) | \( \Large \frac{2I_{m}}{\pi} \) | \( \Large \frac{2I_{m}}{\pi} \) |
3 | Tensiunea medie pe sarcină ( \( E_{DC} \) ) | \( \Large \frac{E_{Sm}}{\pi} \) | \( \Large \frac{2E_{Sm}}{\pi} \) | \( \Large \frac{2E_{Sm}}{\pi} \) |
4 | Curentul pe sarcină R.M.S ( \( I_{RMS} \) ) | \( \Large \frac{I_{m}}{2} \) | \( \Large \frac{I_{m}}{\sqrt{2}} \) | \( \Large \frac{I_{m}}{\sqrt{2}} \) |
5 | Puterea de ieșire ( \( P_{DC} \) ) | \( \Large \frac{I_{m}^2 \bullet R_{L}}{\pi^2} \) | \( \Large \frac{4}{\pi^2} I_{m}^2 R_{L} \) | \( \Large \frac{4}{\pi^2} I_{m}^2 R_{L} \) |
6 | Puterea de intrare ( \( P_{AC} \) ) | \( \Large \frac{I_{m}^2 (\, R_{L}+R_{f}+R_{s} )\,}{4} \) | \( \Large \frac{I_{m}^2 (\, R_{L}+R_{f}+R_{s} )\,}{2} \) | \( \Large \frac{I_{m}^2 (\, R_{L}+2R_{f}+R_{s} )\,}{2} \) |
7 | Randamentul maxim al redresării ( \( \eta \) ) | 40,6% | 81,2% | 81,2% |
8 | Factorul de ondulație ( \( \gamma \) ) | 1,21 | 0,48 | 0,48 |
9 | Curentul maxim pe sarcină ( \( I_{m} \) ) | \( \Large \frac{E_{Sm}}{ (\, R_{L}+R_{f}+R_{s} )\, } \) | \( \Large \frac{E_{Sm}}{ (\, R_{L}+R_{f}+R_{s} )\, } \) | \( \Large \frac{E_{Sm}}{ (\, R_{L}+2R_{f}+R_{s} )\, } \) |
10 | Tensiunea inversă pe diodă | \( E_{Sm} \) | \( 2 E_{Sm} \) | \( E_{Sm} \) |
Dorim să proiectăm un redresor mono alternanță alimentat de pa priză, 230v A.C. , la ieșire să avem 5V D.c. și să suporte un curent maxim de 2 A.
Ce cunoaștem din enunț:
Să începem calculele:
Curentul mediu pe sarcină :
Valoarea de vârf în secundar:
\( E_{DC} = \frac{E_{Sm}}{\pi} \Rightarrow E_{Sm} = E_{DC} \bullet \pi = 5V \bullet \pi = 15,7V \)
Sarcina :
\( E_{DC} = I_{DC} \bullet R_{L} \Rightarrow R_{L} = \frac{E_{DC}}{I_{DC}} = 8 \Omega \)
Valoarea RMS a curentului de sarcină
\( I_{RMS} = \frac{I_{m}}{2} = \frac{2A}{2} = 1A \)
Puterea de iesire:
\( P_{DC} = I_{DC} \bullet E_{DC} = 3,5W \)
Puterea de intrare :
Randamentul redresării :
%\( \eta = \frac{P_{DC}}{P_{AC}} \bullet 100 = 39,3 \) %
Tensiunea inversă pe diodă:
PIV = \( E_{Sm} \) = 15,7 V
Folosind aceste date putem alege piesele electronice:
Mai jos aveți poze cu simularea acestui exemplu.
Observați ca valorile afișate de către aparatele de măsură ( voltmetru, ampermetru, osciloscop ) sunt puțin diferite dar nu cu mult și anume:
Dorim să proiectăm un redresor mono alternanță alimentat de pa priză, 230v A.C. , la ieșire să avem 5V D.c. și să suporte un curent maxim de 2 A.
Ce cunoaștem din enunț:
Să începem calculele:
Curentul mediu pe sarcină :
\( I_{DC} = \frac{2I_{m}}{\pi} \Rightarrow I_{DC} =\frac{2\bullet 2A}{\pi} = 1,72A \)
Valoarea de vârf în secundar:
\( E_{DC} = \frac{2E_{Sm}}{\pi} \Rightarrow E_{Sm} = \frac{E_{DC} \bullet \pi}{2} = \frac{5V \bullet \pi}{2} \bullet = 7,85V \)
\( E_{s} = \frac{E_{Sm}}{\sqrt{2}} \Rightarrow E_{S} = \frac{7,85V}{\sqrt{2}} =5,56 V \) aceasta este valoarea tensiunii ce trebuie să o avem în secundar, adică transformatorul va fi 230V / 6V.
Sarcina :
\( E_{DC} = I_{DC} \bullet R_{L} \Rightarrow R_{L} = \frac{E_{DC}}{I_{DC}} = \frac{5V }{1,72A} = 2,9 \Omega \)
Valoarea RMS a curentului de sarcină:
\( I_{RMS} =\frac{I_{m}}{\sqrt{2}} = \frac{2A }{\sqrt{2}} = 1,41 A \)
Puterea de iesire:
\( P_{DC} = E_{DC} \bullet I_{DC} = 5 V \bullet 1,72A= 8,6 W \)
Puterea de intrare :
\( P_{AC} =\frac{E_{Sm}^2}{2R_{L}} = \frac{7,85^2 }{2 \bullet 2,9 \omega} = 10,62 W \)
Randamentul redresării :
%\( \eta =\frac{P_{DC}}{P_{AC}} \bullet 100= \frac{8,6 W}{10,62 W} \bullet 100= 80,9 \)%
Tensiunea inversă pe diodă:
\( PIV =2E_{Sm} =2 \bullet 7,85V=15,7V \)
Folosind aceste date putem alege piesele electronice:
Mai jos aveți poze cu simularea acestui exemplu.
Observați ca valorile afișate de către aparatele de măsură ( voltmetru, ampermetru, osciloscop ) sunt puțin diferite dar nu cu mult și anume:
Vă rog sa comparați formele de undă de la redresorul mono alternanță cu forma de undă de la redresorul dublă alternanță!!!!!
Lasă un răspuns