Diodele de putere pot fi conectate împreună pentru a forma un redresor dublă-alternanță care transformă tensiunea de curent alternativ în tensiune DC pulsatorie pentru utilizare în surse de alimentare.

În tutorialul anterior am discutat modalități de reducere a variațiilor de tensiune sau a riplului la o tensiune DC directă prin conectarea condensatoarelor de netezire pe rezistența la sarcină.

Deși această metodă poate fi potrivită pentru aplicații cu putere redusă, este inadecvată aplicațiilor care necesită o tensiune de alimentare constantă și netedă. O metodă de îmbunătățire în acest sens este folosirea fiecărei alternanțe a tensiunii de intrare în loc de doar una pozitivă. Circuitul care ne permite să facem acest lucru se numește redresor dublă-alternanță.

Ca și circuitul mono-alternanță, un circuit redresor dublă-alternanță produce o tensiune de ieșire sau un curent care este pur DC sau are o anumită componentă DC. Redresoarele dublă-alternanță au câteva avantaje fundamentale față de omoloagele lor mono-alternanță. Tensiunea de ieșire medie (DC) este mai mare decât la mono-alternanță, ieșirea redresorului dublă-alternanță are mult mai puțin riplu decât cea a redresorului mono-alternanță, producând o formă de undă de ieșire mai netedă.

Într-un circuit de redresor dublă-alternanță se utilizează acum două diode, câte una pentru fiecare alternanță. Se utilizează un transformator cu înfășurări multiple, a cărei înfășurare secundară este divizată în mod egal în două jumătăți, cu o racordare comună la priza centrală (C). Această configurație are ca rezultat că fiecare diodă conduce atunci când terminalul său anodic este pozitiv față de punctul central al transformatorului C, producând o ieșire în ambele alternanțe, dublă față de redresorul mono-alternanță, fiind 100% eficient, așa cum se vede mai jos.

Circuitul redresorului dublă-alternanță

Circuitul de redresor dublă-alternanță constă din două diode de putere conectate la o singură rezistență de sarcină (RL), fiecare diodă comutând pe rând pentru a furniza curent la sarcină. Atunci când punctul A al transformatorului este pozitiv în raport cu punctul C, dioda D1 conduce în direcția indicată de săgeată.

Atunci când punctul B este pozitiv (în alternanța negativă a ciclului) față de punctul C, dioda D2 conduce în direcția arătată și curentul care trece prin rezistorul R este în aceeași direcție pentru ambele alternanțe. Deoarece tensiunea de ieșire pe rezistorul R este suma fazorială a celor două forme de undă combinate, acest tip de circuit de redresor dublă-alternanță este cunoscut ca un circuit "bi-fazic".

Putem vedea acest efect foarte clar dacă rulați circuitul în Circuitul Simulatorului Partsim cu condensatorul de netezire eliminat.

Forma de undă simulată în Partesim

Deoarece spațiile dintre alternanțele pozitive sunt acum completate de către cealaltă diodă, tensiunea medie de ieșire DC pe rezistorul de sarcină este acum dublă față de cea a redresorului mono-alternanță și este de aproximativ 0,637 din tensiune de vârf Vmax, presupunând că nu există pierderi.

unde: Vmax este valoarea de vârf maximă într-o jumătate a înfășurării secundare și VRMS este valoarea efectivă.

Tensiunea de vârf a formei de undă de ieșire este aceeași ca înainte pentru redresorul mono-alternanță, cu condiția ca fiecare jumătate din înfășurările transformatorului să aibă aceeași valoare a tensiunii rms. Pentru a obține o ieșire diferită de tensiune continuă, pot fi utilizate diferite rapoarte de transformare.

Principalul dezavantaj al acestui tip de circuit redresor dublă-alternanță este acela că este necesar un transformator mai mare pentru o ieșire de putere dată, cu două înfășurări secundare separate, dar identice, ceea ce face ca acest tip de circuit de redresare să fie costisitor în comparație cu circuitul echivalent "Redresor dublă-alternanță cu punte".

Punte redresoare dublă-alternanță

Un alt tip de circuit care produce aceeași formă de undă la ieșire ca circuitul redresor dublă-alternanță de mai sus, este cel al redresorului dublă-alternanță cu punte. Acest tip de redresor monofazat utilizează patru diode redresoare individuale conectate într-o configurație de "punte", o buclă închisă, pentru a produce ieșirea dorită.

Principalul avantaj al acestui circuit punte este acela că acesta nu necesită un transformator special cu priză centrală, reducând astfel dimensiunea și costul acestuia. Înfășurarea secundară unică este conectată la o parte a rețelei de diode în punte și sarcina la cealaltă parte, după cum se arată mai jos.

Redresorul cu punte de diode

Cele patru diode etichetate D1 până la D4 sunt aranjate în "perechi serie", cu doar două diode care conduc curentul în fiecare alternanță. În timpul alternanței pozitive a alimentării, diodele D1 și D2 conduc în serie, în timp ce diodele D3 și D4 sunt polarizate invers și curentul trece prin sarcină, după cum se arată mai jos.

Alternanța pozitivă

În timpul alternanței negative a alimentării, diodele D3 și D4 conduc în serie, dar diodele D1 și D2 comută "OFF" deoarece acestea sunt acum polarizate invers. Curentul care trece prin sarcină este în aceeași direcție ca și înainte.

Alternanța negativă

Deoarece curentul care circulă prin sarcină este unidirecțional, și tensiunea dezvoltată pe sarcină este de asemenea unidirecțională la fel ca în cazul celor două diode din redresorul dublă-alternanță, iar tensiunea DC medie pe sarcină este 0,637 Vmax.

Dar, în realitate, în fiecare alternanță curentul curge prin două diode în loc de una, astfel încât amplitudinea tensiunii de ieșire este cu două căderi de tensiune (2*0,7 = 1,4 V) mai mică decât amplitudinea de intrare VMAX. Frecvența riplului este acum de două ori mai mare decât frecvența de alimentare (de ex. 100 Hz pentru o alimentare 50 Hz sau 120 Hz pentru o alimentare de 60 Hz.)

Deși putem folosi patru diode de putere individuale pentru a face un redresor cu punte dublă-alternanță, componentele redresoare de punte pre-fabricate sunt disponibile "în afara raftului" într-o gamă de diferite dimensiuni de tensiune și curent care pot fi sudate direct pe o placă de circuite imprimate sau să fie conectate prin conectori-spadă.

Condensatorul de netezire

Am văzut în secțiunea anterioară că un redresor monofazat mono-alternanță produce o undă de ieșire la fiecare jumătate de ciclu și că nu era practic să se folosească acest tip de circuit pentru a produce o alimentare constantă DC. Redresorul dublă-alternanță cu punte ne dă o valoare DC medie mai mare (0,637 Vmax), cu un riplu mai mic, în timp ce forma de undă de ieșire are frecvența de două ori mai mare decât frecvența de alimentare a intrării.

Putem îmbunătăți ieșirea DC medie a redresorului, reducând, în același timp, variația AC a ieșirii redresate prin utilizarea condensatoarelor de netezire pentru a filtra forma de undă de ieșire. Condensatoarele de netezire sau rezervor conectate în paralel cu sarcina pe ieșirea circuitului redresor dublă-alternanță cu punte măresc nivelul de ieșire DC medie chiar mai mult, deoarece condensatorul acționează ca un dispozitiv de stocare, după cum se arată mai jos.

Redresor dublă-alternanță cu condensator de netezire

Condensatorul de netezire convertește ieșirea cu riplu a redresorului într-o tensiune de ieșire DC mai netedă. Dacă rulăm acum Circuitul Simulatorului Partsim cu diferite valori ale condensatorului de netezire instalat, putem vedea efectul pe care îl are asupra undei redresate de ieșire așa cum se arată.

Condensator de netezire de 5μF

Culoarea albastră de pe forma de undă arată rezultatul utilizării unui condensator de netezire de 5,0 μF pe ieșirea redresorului. Anterior, tensiunea pe sarcină a urmat forma de undă redresată de ieșire până la zero volți. Aici condensatorul de 5 μF este încărcat la tensiunea de vârf a impulsului DC de ieșire, dar când acesta scade de la tensiunea de vârf înapoi la zero volți, condensatorul nu se poate descărca atât de repede datorită constantei de timp RC a circuitului.

Acest lucru duce la descărcarea condensatorului până la aproximativ 3,6 volți, în exemplu, menținând tensiunea pe rezistorul de sarcină până când condensatorul se reîncarcă din nou pe următoarea pantă pozitivă a impulsului DC. Cu alte cuvinte, condensatorul are doar timp să se descarce scurt înainte ca următorul impuls DC să-l reîncarce până la valoarea maximă. Astfel, tensiunea DC aplicată rezistorului de sarcină scade doar cu o cantitate mică. Dar putem îmbunătăți acest lucru prin creșterea valorii condensatorului de netezire așa cum este arătat.

Condensator de netezire de 50 μF

Aici am crescut de zece ori valoarea condensatorului de netezire de la 5 μF la 50 μF ceea ce a redus riplul, crescând tensiunea de descărcare minimă de la 3,6 V până la 7,9 V. Cu toate acestea, folosind Circuitul Simulator Partsim am ales o sarcină de 1 kΩ pentru a obține aceste valori, dar pe măsură ce impedanța de sarcină scade, curentul de sarcină crește, determinând condensatorul să se descarce mai rapid între impulsurile de încărcare.

Efectul alimentării unei sarcini grele cu un singur condensator rezervor sau de netezire poate fi redus prin utilizarea unui condensator mai mare, care stochează mai multă energie și se descărcă mai puțin între impulsurile de încărcare. În general, pentru circuitele de alimentare DC, condensatorul de netezire este de tip electrolitic din aluminiu, care are o valoare de capacitate de 100 μF sau mai mult, cu impulsuri de tensiune DC repetate de la redresorul care încarcă condensatorul la tensiunea de vârf.

Există doi parametri importanți care trebuie luați în considerare atunci când alegeți un condensator adecvat de netezire și aceștia sunt tensiunea de lucru, care trebuie să fie mai mare decât valoarea de ieșire fără sarcină a redresorului și valoarea capacității lui, care determină mărimea riplului care va apărea suprapus peste tensiunea DC.

Valoarea prea mică a capacității condensatorului are un efect redus asupra formei de undă de ieșire. Dar dacă condensatorul de netezire este suficient de mare (pot fi utilizate condensatoare paralele) și curentul de sarcină nu este prea mare, tensiunea de ieșire va fi aproape la fel de netedă ca DC pură. Ca regulă generală, căutăm să avem o tensiune de riplu mai mică de 100mV vârf la vârf.

Tensiunea maximă de riplu prezentă pentru un circuit redresor dublă-alternanță nu este determinată numai de valoarea condensatorului de netezire ci și de frecvența și curentul de sarcină și se calculează astfel:

Tensiune de riplu a punții de redresare

unde: I este curentul de sarcină DC în amperi, ƒ este frecvența riplului sau de două ori frecvența de intrare în Hertz, iar C este capacitatea în Farazi.

Principalele avantaje ale unui redresor dublă-alternanță cu punte este că are o valoare de riplu AC mai redusă pentru o anumită sarcină și un condensator rezervor sau de netezire mai mic decât un redresor echivalent monoalternanță. La fel, frecvența fundamentală a tensiunii de riplu este de două ori mai mare decât cea a frecvenței de alimentare AC (100Hz), pe când pentru redresorul monoalternanță este egală cu frecvența de alimentare (50Hz).

Cantitatea tensiunii de riplu care este suprapusă deasupra tensiunii de alimentare DC de către diode poate fi practic eliminată prin adăugarea unui filtru π mult îmbunătățit la bornele de ieșire ale redresorului cu punte. Acest tip de filtru trece-jos este alcătuit din două condensatoare de netezire, de obicei de aceeași valoare și un inductor sau o inductanță între ele, pentru a introduce o cale de impedanță înaltă pentru componenta de riplu alternativă.

O altă cale mai practică și mai ieftină este utilizarea unui regulator de tensiune IC cu 3 terminale, cum ar fi un LM78xx (unde "xx" reprezintă valoarea nominală a tensiunii de ieșire) pentru o tensiune de ieșire pozitivă sau echivalentul său invers LM79xx pentru o tensiune de ieșire negativă, care poate reduce riplu cu mai mult de 70 dB (Datasheet) în timp ce livrează un curent de ieșire constant de peste 1 amp.

În următorul tutorial despre diode, ne vom uita la dioda Zener, care profită de caracteristica ei de tensiune de străpungere inversă pentru a produce o tensiune de ieșire constantă și fixă ​​pe ea însăși.

REFERINȚE:

redresoare