O sursă de alimentare nereglată este cel mai simplu furnizor de energie de construit.

Aproape toate dispozitivele și circuitele electronice necesită o formă de sursă de putere DC pentru funcționarea lor fie de la o baterie, de o celulă solară, fie de la o sursă de alimentare la rețea.

În timp ce bateriile au avantajul de a fi mici, portabile și fără riplu, ele au nevoie de înlocuire (sau reîncărcare) frecvent și sunt, de asemenea, costisitoare în comparație cu o sursă convențională DC.

Deoarece în case, școli și locuri de muncă avem o sursă convenabilă, fiabilă și economică de energie electrică, este logic să folosim sursa de curent alternativ pentru alimentarea circuitelor. Dar, alimentarea AC de la rețea este mult mai mare (de obicei 220-250 Vrms) decât tensiunea DC mult mai mică furnizată de o baterie. Procesul de transformare a acestei tensiuni AC înalte într-o tensiune DC mult mai joasă se numește Redresare.

Redresarea este procesul de convertire a puterii AC în putere DC. În tutorialele Diode am văzut că o diodă conduce curentul într-o singură direcție (de la Anod la Catod) și nu în sens invers. Capacitatea diodei de a comuta curentul într-o singură direcție face ca acesta să fie ideală pentru transformarea unui curent alternativ cu două direcții într-o sursă constantă de curent continuu sau DC, așa cum se arată.

Redresor cu diode

Putem vedea că intrarea AC la diodă este o sinusoidă care are două alternanțe pozitivă și negativă, în timp ce ieșirea din diodă este redresată DC având o formă de undă care merge numai pozitiv la zero volți, alternanțele negative fiind blocate. Acest tip de formă de undă de ieșire se numește "monoalternanță pulsatoare DC".

Sursă de alimentare nereglată mono-alternanță

Scopul unei surse de alimentare este de a furniza cantitatea necesară de energie electrică la un nivel de tensiune și curent specificat, de exemplu +9 volți la 500 mA. Caracteristicile electrice ale oricărei surse de alimentare cu energie va depinde de circuitul sau circuitele alimentate, dar, în general, toate sursele de alimentare nereglate constau dintr-un transformator de coborâre a tensiunii AC de rețea la nivelul necesar, precum și realizarea izolării electrice și un redresor cu diode pentru a furniza o tensiune de ieșire nestabilizată.

Luați în considerare circuitul de alimentare nereglat monoalternanță de mai jos.

Intrarea de rețea este aplicată la înfășurarea primară a transformatorului de rețea T1 cu bobina din secundarul lui T1 furnizând tensiune AC joasă la dioda redresorului D1. Forma de undă de ieșire rezultată conține un nivel de tensiune DC care este aproximativ egal cu 1/π sau 0,318 din tensiunea de vârf.

De exemplu, dacă tensiunea de vârf sinusoidală este de 10 V, ieșirea DC echivalentă ar fi, deci, 0,318 x 10 = 3,18 V. Atunci, este important să alegeți corect transformatorul de tensiune pentru sursa de alimentare nereglată.

Așa cum am văzut mai sus, forma de undă de ieșire din diodă este pulsatorie DC. Evident, această tensiune DC pulsatorie nu este adecvată pentru alimentarea majorității circuitelor electronice, deoarece nu numai că tensiunea de alimentare variază considerabil și rapid în comparație cu o sursă de alimentare baterie DC ideală, dar nu există o tensiune de alimentare pentru 50% din timp, în timpul alternanței negative.

Foarte des, atunci când redresăm o tensiune alternativă dorim să producem o tensiune directă la stare de echilibru cum ar fi cea pe care o obținem dintr-o baterie și fără variații ale formei de undă menționate mai sus. O modalitate de a depăși această problemă este de a adăuga un condensator de netezire pe bornele de ieșire, conectându-l efectiv în paralel cu sarcina.

Știm că un condensator are abilitatea de a stoca o sarcină electrică pe plăcile sale și putem folosi această abilitate pentru a netezi o parte din forma de undă pulsatoare. Condensatorul C1, numit de obicei condensator de netezire sau condensator rezervor, devine încărcat de curentul care trece prin dioda polarizată direct în timpul alternanței pozitive. Cantitatea de sarcină de pe plăcile condensatoarelor depinde de tensiunea pozitivă de vârf de la transformatorul T1 și de valoarea condensatorului ce se încarcă, Q este egal cu V x C (volți x capacitate).

Pe măsură ce tensiunea de ieșire de la T1 începe să se reducă la zero, condensatorul încărcat până acum preia curentul de alimentare la sarcină. La un moment dat, tensiunea de ieșire de la T1 trece prin zero și furnizează alternanța negativă a ciclului, care polarizează invers dioda în cut-off. În timpul acestei alternanțe, condensatorul C1 furnizează tot curentul sarcinii și se descarcă el însuși la o rată determinată de constanta de timp a sarcinii.

La următoarea alternanță pozitivă, transformatorul T1 preia controlul furnizând din nou energie la sarcină și continuă să facă acest lucru până când tensiunea de ieșire de la T1 revine la valoarea sa maximă pozitivă din nou. În această perioadă, C1 se reîncarcă din nou și asigură curentul de ieșire la sarcină atunci când tensiunea de la T1 scade din nou până la următoarea tensiune de vârf pozitivă de la T1, așa cum se arată.

Forme de undă ale redresorului mono-alternanță

Deoarece condensatorul C1 nu poate avea o valoare infinită, el nu poate furniza o alimentare de ieșire DC perfect netedă care, în unele cazuri, poate lua forma unei unde dinți de fierăstrău. Variațiile formei de undă de ieșire datorate inabilității condensatoarelor de a menține o ieșire constantă se numesc "Ripple" și se produc la fiecare ciclu complet al intrării AC. Cu alte cuvinte, pentru un circuit de redresare mono-alternanță, frecvența pulsatorie DC de riplu va fi egală cu frecvența de intrare AC.

Cantitatea de riplu prezentă pe forma de undă de ieșire depinde de caracteristicile sarcinii, dar pentru o valoare dată a unui condensator, un curent de sarcină mai mare (rezistență de sarcină mai mică) descarcă mai mult condensatorul și astfel mărește conținutul de riplu al formei de undă de ieșire.

S-ar putea să vă gândiți, de ce să nu utilizați un condensator de valoare mai mare pentru a reduce conținutul de riplu, dar există limite la utilizarea condensatoarelor mari de netezire (de obicei electrolitice) cu privire la cost, mărime și creșterea valorii lor dincolo de un punct nu va reduce în mod semnificativ riplul. De asemenea, utilizarea unor valori mari pentru condensatoare de netezire poate necesita furnizarea de curenți de încărcare foarte mari prin puntea de diode. Totuși, este posibilă îmbunătățirea conținutului de riplu prezent în tensiunea de ieșire furnizată de o sursă de alimentare nereglată prin adăugarea mai multor condensatori de valori diferite în paralel între bornele de ieșire.

Sursă de alimentare nereglată bi-alternanță

Am văzut că tensiunea de ieșire dintr-o sursă nereglată de alimentare mono-alternanță poate fi dificil de filtrat până la un nivel DC neted deoarece tensiunea de ieșire și curentul sunt aplicate la sarcină doar pentru o alternanță din fiecare ciclu de intrare. De asemenea, un alt dezavantaj al unei surse de alimentare nereglate mono-alternanță sunt perioadele relativ lungi dintre impulsurile de încărcare a condensatorului, furnizate de transformator, care necesită utilizarea unui condensator de netezire de tip electrolitic relativ mare.

Totuși, dacă am adăuga o a doua diodă de redresare la circuit, astfel încât fiecare alternanță de intrare să contribuie la forma de undă redresată de ieșire, cantitatea de conținut de riplu va fi mult redusă și acest lucru poate fi realizat utilizând o sursă de alimentare nereglată bi-alternanță.

O sursă de alimentare nereglată bi-alternanță variază de anterioara prin utilizarea unui transformator de rețea cu o înfășurare secundară cu priză mediană și două diode de redresare, așa cum este arătat.

Se poate observa că cele două jumătăți ale înfășurării secundare alimentează în mod efectiv circuite de redresare mono-alternanță separate, de tipul descris mai sus, cele două ieșiri fiind combinate împreună și netezite de condensatorul de netezire comun C1 .

Cele două diode D1 și D2 funcționează într-un aranjament tip push-pull deoarece secundarul transformatorului este legat la masă (0 V) pentru a crea o diferență de fază de 180^o între înfășurările superioară și inferioară. Deci jumătatea superioară asigură o tensiune pozitivă și jumătatea inferioară o tensiune negativă.

Când forma de undă de intrare AC este pozitivă, o tensiune pozitivă este dezvoltată în jumătatea superioară a secundarului T1 polarizând direct dioda D1, comutând-o „ON“, în timp ce tensiunea negativă corespunzătoare dezvoltată pe înfășurarea inferioară a secundarului T1 polarizează invers dioda D2, comutând-o "OFF". Deci, curentul este furnizat la sarcină numai prin dioda D1.

Când forma de undă AC de intrare se schimbă, o tensiune negativă este dezvoltată în jumătatea superioară a secundarului T1 comutând dioda D1 „OFF“, în timp ce o tensiune pozitivă este dezvoltată pe jumătatea inferioară a secundarului T1 polarizând direct și comutând „ON“ dioda D2. Deci, curentul este furnizat sarcinii numai prin dioda D2.

Atunci, cele două diode și transformatorul cu priză-mediană comută curentul AC cu două direcții, dezvoltat alternativ pe bobina secundarului, prin sarcină. Forma de undă de ieșire rezultată conține un nivel de tensiune DC care este aprox. egal cu 2/π sau 0,636 din tensiunea de vârf.

De exemplu, dacă tensiunea sinusoidală de vârf este de 10 volți, ieșirea DC echivalentă ar fi: 0,636 x 10 = 6,36 volți, de două ori mai mare decât cea pentru redresorul mono-alternanță, așa cum se arată.

Forme de undă ale redresorului bi-alternanță

Avantajul acestui circuit de alimentare nereglat bi-alternanță este că necesită un condensator de netezire de aprox. jumătate din valoarea celui necesar pentru circuitul mono-alternanță, deoarece este încărcat de două ori mai frecvent într-un circuit bi-alternanță, și cantitatea de descărcare pentru un anumit curent de sarcină este, prin urmare, mai mică.

De asemenea, deoarece ambele alternanțe ale ciclului apar pe condensatorul de netezire pentru fiecare ciclu de la intrare, conținutul de ripple va fi mai mic, iar frecvența de ripple va fi de două ori mai mare decât cea a frecvenței de intrare. De exemplu, dacă frecvența sinusoidală de intrare este de 50 Hz, atunci frecvența de ripple va fi de 100 Hz. Ca urmare a acestei frecvențe de ripple mai mare este mai ușor de netezit orice fluctuații.

Rezumat Sursa de alimentare nereglată

Unul dintre principalele dezavantaje ale unei surse de alimentare nereglate este faptul că tensiunea de ieșire este afectată în mod semnificativ de schimbările survenite în tensiunea rețelei și de variațiile curentului de sarcină. Deoarece sarcina atrage mai mult curent, tensiunea DC la terminale scade.

De asemenea, forma de undă de ieșire produsă de o sursă de alimentare nereglată mono-alternanță are un nivel DC de aproximativ 0,318 x Vpeak, împreună cu o variație mare AC asemănătoare unei forme de undă dinți de fierăstrău. Această formă de undă de ieșire este în general cunoscută ca o tensiune DC pulsatoare.

Pentru a elimina o parte din conținutul AC, este utilizat un condensator de netezire, care permite conținutului DC să treacă și reduce AC la un ripple mic. Un redresor mono-alternanță produce o frecvență de ripple la fel cu frecvența de intrare.

O modalitate de a crește tensiunea de ieșire DC, de a reduce conținutul de ripple și de a îmbunătăți eficiența este de a folosi un redresor bi-alternanță, care constă din două diode și un transformator cu priză mediană, pentru a genera două forme de undă egale și opuse pe fiecare jumătate a înfășurării secundare. Principalul dezavantaj al acestuia este că necesită un transformator mai mare pentru o putere de ieșire dată.

Sursa de alimentare nereglată mono-alternanță este ieftină și ușor de construit, care convertește puterea AC în putere DC pulsatoare. Am văzut cum pot fi folosite condensatoarele de netezire pentru a schimba acest DC pulsatoriu de la redresor, fie mono- sau bi-alternanță, la o alimentare DC rezonabil de netedă și fără riplu pentru circuitele electronice de putere sau la încărcarea bateriilor.