Redresarea convertește o sursă de tensiune AC sinusoidală oscilantă într-o sursă de tensiune DC de curent constant prin intermediul diodelor, tiristoarelor, tranzistoarelor sau convertoarelor. Acest proces de redresare poate lua mai multe forme cu redresoare mono-alternanță, bi-alternanță, necontrolate și complet controlate, care transformă alimentarea monofazată sau trifazată într-un nivel DC constant. În acest tutorial vom analiza redresarea monofazată și toate formele sale.

Redresorul reprezintă unul din blocurile de bază ale conversiei de putere AC cu redresare mono-alternanță sau bi-alternanță, efectuată în general cu diode semiconductoare. Diodele permit curenților alternativi să circule prin ele în direcția înainte, blocând curgerea curentului în direcția inversă, creând un nivel de tensiune DC fix, ceea ce le face ideale pentru redresare.

Dar, curentul direct care a fost redresat de diode nu este la fel de pur ca cel obținut de la o sursă de baterii, ci are variații de tensiune sub formă de riplu suprapuse peste ea ca rezultat al alimentării alternative.

Dar pentru ca redresarea monofazată să aibă loc, avem nevoie de o formă de undă sinusoidală AC de tensiune și frecvență fixă, după cum se arată.

Forma de undă sinusoidală AC

Formele de undă AC au, în general, două numere asociate cu ele. Primul număr exprimă gradul de rotație a formei de undă de-a lungul axei x, prin care alternanța a fost rotită între 0 și 360°. Această valoare este cunoscută ca perioada (T) care este definită ca intervalul necesar pentru a completa un ciclu complet al formei de undă. Perioadele sunt măsurate în unități de grade, timp sau radiani. Relația dintre perioadele undei sinusoidale și frecvență este definită ca: T = 1/ƒ.

Al doilea număr indică amplitudinea valorii, fie a curentului, fie a tensiunii, de-a lungul axei y. Acest număr oferă valoarea instantanee de la zero la o valoare maximă (AMAX, VMAX sau IMAX), indicând amplitudinea cea mai mare a undelor sinusoidale înainte de a reveni din nou la zero. Pentru o formă de undă sinusoidală, există două valori maxime sau de vârf, una pentru alternanța pozitivă și una pentru alternanța negativă.

Dar, pe lângă aceste două valori, există și alte două care ne interesează pentru redresare. Una este valoarea medie a formei de undă, iar cealaltă este valoarea RMS. Valoarea medie a unei forme de undă se obține prin adunarea valorilor instantanee ale tensiunii (sau curent) pe o alternanță și este găsită ca: 0,6365*VP. Rețineți că valoarea medie pe parcursul unui ciclu complet de undă sinusoidală simetrică este zero.

Valoarea RMS, sau valoarea rădăcinii mediei pătrate sau valoarea efectivă a sinusoidului (un sinusoid este un alt nume pentru o undă sinusoidală) furnizează aceeași cantitate de energie la o rezistență ca și o sursă DC de aceeași valoare. Rădăcina mediei pătrate (rms) a unei tensiuni sinusoidale (sau curent) este definită ca: 0,7071*VP.

Redresor monofazat

Toate redresoarele monofazate utilizează dispozitive solid-state ca principal dispozitiv de conversie AC-DC. Redresoarele mono-alternanță, necontrolate, monofazate sunt cele mai simple și probabil cele mai utilizate circuite de redresare pentru nivele mici de putere, deoarece ieșirea lor este puternic afectată de reactanța sarcinii conectate.

Pentru circuitele de redresor necontrolat, diodele semiconductoare sunt cele mai frecvent utilizate dispozitive și sunt astfel aranjate încât să creeze fie un circuit de redresor mono-alternanță, fie un circuit bi-alternanță. Avantajul utilizării diodelor ca dispozitiv de redresare constă în faptul că, prin proiectare, ele sunt dispozitive unidirecționale care au o joncțiune p-n încorporată, într-o singură direcție.

Această joncțiune-pn convertește alimentarea alternativă bidirecțională într-un curent uni-direcțional cu o singură direcție prin eliminarea unei alternanțe de alimentare. În funcție de conexiunea diodei, aceasta ar putea, de exemplu, să treacă alternanța pozitivă a formei de undă AC atunci când este polarizată, eliminând în același timp alternanța negativă atunci când dioda devine polarizată invers.

Reversul este de asemenea adevărat prin eliminarea alternanței pozitive a formei de undă și trecerea alternanței negative. În orice caz, ieșirea de la un redresor cu o singură diodă constă doar dintr-o jumătate din forma de undă de 360°, așa cum este arătat.

Redresare monoalternanță

Configurația redresorului monofazic mono-alternanță de mai sus trece alternanța pozitivă a formei de undă de alimentare AC eliminând alternanța negativă. Prin inversarea direcției diodei putem trece alternanțe negative și putem elimina alternanțele pozitive ale formei de undă AC. Prin urmare, ieșirea va fi o serie de impulsuri pozitive sau negative.

Astfel, nu se aplică tensiune sau curent la sarcina conectată RL pentru jumătate din fiecare ciclu. Cu alte cuvinte, tensiunea pe rezistența de sarcină RL constă numai din semnale de undă, fie pozitive, fie negative, deoarece funcționează numai în timpul unei alternanțe a ciclului de intrare, de aici denumirea redresorului mono-alternanță.

Sperăm că putem vedea că dioda permite curentului să curgă într-o direcție, producând doar o ieșire care constă din jumătăți de ciclu. Această formă de undă pulsantă de ieșire nu variază numai ON și OFF la fiecare ciclu, dar este prezentă doar în proporție de 50% din timp și cu o sarcină pur rezistivă, acest conținut de riplu mare de tensiune și curent este la maximul său.

Acest DC pulsatoriu înseamnă că valoarea echivalentă DC căzută pe rezistorul de sarcină RL este, prin urmare, doar o jumătate din valoarea medie a formele de undă sinusoidale. Deoarece valoarea maximă a funcției sinusoidale este 1 (sin 90°), valoarea medie sau media DC luată pe o alternanță a sinusoidului este definită ca: 0,637 x valoarea maximă a amplitudinii.

Astfel, pe durata alternanței pozitive, AAVE este egală cu 0,637*AMAX. Deoarece alternanțele negative sunt eliminate din cauza redresării de către diodă, valoarea medie în această perioadă va fi zero, după cum se arată.

Valoarea medie sinusoidală

Deci, pentru un redresor mono-alternanță, 50% din timp există o valoare medie de 0,637*AMAX și 50% din timp există zero. Dacă amplitudinea maximă este 1, media sau echivalentul valorii DC observat pe rezistența la sarcină RL va fi:

Astfel, expresiile corespunzătoare pentru valoarea medie a tensiunii sau curentului pentru un redresor mono-alternanță sunt date de:

VAVE = 0,318 * VMAX

IAVE = 0,318 * IMAX

Rețineți că valoarea maximă AMAX este cea a formei de undă de intrare, dar am putea folosi și valoarea sa RMS (root mean squared) pentru a găsi valoarea de ieșire DC echivalentă a unui redresor mono-alternanță monofazat. Pentru a determina tensiunea medie pentru un redresor mono-alternanță, înmulțim valoarea RMS cu 0,9 (factorul de formă) și împărțim produsul cu 2, adică îl înmulțim cu 0,45 dând:

VAVE = 0,45 * VRMS

IAVE = 0,45 * IRMS

Putem vedea că un circuit redresor mono-alternanță convertește alternanțele pozitive sau negative ale unei forme de undă AC într-o ieșire DC pulsată, care are o valoare de 0,318*AMAX sau 0,45*ARMS, după cum se arată.

Tensiunea medie a redresorului mono-alternanță

Redresare. Exemplul nr. 1

Un redresor monofazat mono-alternanță este conectat la o sursă AC de 50 VRMS, 50 Hz. Dacă redresorul este utilizat pentru a alimenta o sarcină rezistivă de 150 ohmi, calculați tensiunea DC echivalentă dezvoltată pe sarcină, curentul de sarcină și puterea disipată pe sarcină. Presupunem caracteristici ideale ale diodelor.

Mai întâi trebuie să convertim 50 volți RMS la echivalentul său de vârf sau maxim.

a) Amplitudinea tensiunii maxime VM

VM = 1,414 * VRMS = 1,414 * 50 = 70,7 volți

b) Tensiune DC echivalentă VDC

VDC = 0,318 * VM = 0,318 * 70,7 = 22,5 volți

c) Curentul de sarcină IL

IL = VDC ÷ RL = 22,5/150 = 0,15 A sau 150 mA

d) Puterea disipată pe sarcină PL

PL = V*I sau I²*RL = 22,5 * 0,15 = 3,375 W ≅ 3,4 W

În practică, VDC ar fi ușor mai scăzută datorită căderii de tensiune de 0,7 V de polarizare directă pe dioda redresoare.

Unul dintre principalele dezavantaje ale unui redresor monofazat mono-alternanță este acela că nu există nici o ieșire în timpul unei alternanțe a formei de undă sinusoidale de intrare, rezultând o valoare medie scăzută așa cum am văzut. O modalitate de a depăși acest lucru este de a folosi mai multe diode pentru a produce un redresor bi-alternanță.

Redresare bi-alternanță

Spre deosebire de redresorul precedent mono-alternanță, redresorul bi-alternanță utilizează ambele alternanțe ale formei de undă sinusoidale de intrare pentru a furniza o ieșire unidirecțională. Acest lucru se datorează faptului că redresorul bi-alternanță constă, în principiu, din două redresoare mono-alternanță conectate împreună pentru a alimenta sarcina.

Redresorul monofazat bi-alternanță face acest lucru prin utilizarea a patru diode aranjate în punte care trece alternanța pozitivă a formei de undă ca mai înainte, dar care inversează alternanța negativă a undei sinusoidale pentru a crea o ieșire DC pulsatoare. Chiar dacă tensiunea și curentul de ieșire de la redresor sunt pulsatorii, acesta nu inversează direcția utilizând 100% integral forma de undă de intrare și astfel realizează redresarea bi-alternanță.

Redresor în punte bi-alternanță monofazat

Această configurație în punte a diodelor realizează o redresare completă a undei întregi, deoarece în orice moment două din cele patru diode sunt polarizate direct, în timp ce celelalte două sunt polarizate invers. Astfel, există două diode în calea de conducție în locul uneia pentru redresorul mono-alternanță. Prin urmare, va exista o diferență de amplitudine de tensiune între VIN și VOUT datorită celor două căderi de tensiune directă pe diodele conectate în serie. Aici, ca și mai înainte, pentru simplitatea matematicii vom presupune diode ideale.

Deci, cum funcționează redresorul monofazat bi-alternanță. Pe durata alternanței pozitive a lui VIN, diodele D1 și D4 sunt polarizate direct, în timp ce diodele D2 și D3 sunt polarizate invers. Atunci, pentru alternanța pozitivă a formei de undă de intrare, curentul curge de-a lungul căii: D1-A-RL-B-D4 și înapoi la alimentare.

Pe durata alternanței negative al semnalului VIN, diodele D3 și D2 sunt polarizare direct, în timp ce diodele D4 și D1 sunt polarizate invers. Atunci, pentru alternanța negativă a formei de undă de intrare, curentul curge de-a lungul căii: D3-A-RL-B-D2 și înapoi la sursa de alimentare.

În ambele cazuri, alternanțele pozitive și negative ale formei de undă de intrare produc vârfuri pozitive de ieșire, indiferent de polaritatea formei de undă de intrare și, ca atare, curentul de sarcină i întotdeauna curge în aceeași direcție prin sarcina RL între punctele sau nodurile A și B. Astfel, alternanța negativă a sursei devine o alternanță pozitivă la sarcină.

Deci, oricare set de diode sunt în conducție, nodul A este întotdeauna mai pozitiv decât nodul B. Prin urmare, curentul și tensiunea de sarcină sunt unidirecționale sau DC, oferindu-ne următoarea formă de undă de ieșire.

Forma de undă de ieșire a unui redresor bialternanță

Deși această formă de undă de ieșire pulsantă utilizează 100% din forma de undă de intrare, tensiunea DC (sau curentul) medie nu este la aceeași valoare. Ne amintim de mai sus că valoarea medie sau DC medie pe o alternanță de sinusoidă este definită ca: 0,637 x valoarea maximă a amplitudinii. Dar, spre deosebire de redresarea mono-alternanță de mai sus, redresoarele bi-alternanță au două alternanțe pozitive pe forma de undă de intrare dându-ne o valoare medie diferită, după cum se arată.

Valoarea medie a redresorului bialternanță

Aici putem vedea că pentru un redresor bi-alternanță, pentru fiecare vârf pozitiv există o valoare medie de 0,637*AMAX și deoarece există două vârfuri pe forma de undă de intrare, aceasta înseamnă că există două loturi de valoare medie însumate împreună. Astfel, tensiunea DC de ieșire a unui redresor bi-alternanță este de două ori mai mare decât cea a redresorului precedent mono-alternanță. Dacă amplitudinea maximă este 1, valoarea medie sau echivalentă DC văzută pe rezistența de sarcină RL va fi:

Astfel, expresiile corespunzătoare pentru valoarea medie a tensiunii sau curentului pentru un redresor bi-alternanță sunt date de:

VAVE = 0,637 * VMAX

IAVE = 0.637 * IMAX

Ca mai înainte, valoarea maximă AMAX este cea a formei de undă de intrare, dar am putea utiliza și valoarea RMS pentru a găsi valoarea echivalentă de ieșire DC a unui redresor monofazat. Pentru a determina tensiunea medie pentru un redresor bi-alternanță, multiplicăm valoarea RMS cu 0,9 dând:

VAVE = 0,9* VRMS

IAVE = 0,9 * IRMS

Atunci, putem vedea că un circuit redresor bi-alternanță convertește atât alternanțele pozitive sau negative ale unei forme de undă AC într-o ieșire DC pulsată, care are o valoare de 0,637*AMAX sau 0,9*ARMS, așa cum se arată.

Tensiune medie a redresorului bi-alternanță

Redresare. Exemplul nr. 2

Patru diode sunt folosite pentru a construi un circuit redresor bi-alternanță, monofazat, care este necesar să alimenteze o sarcină pur rezistivă de 1 kΩ la 220 volți DC. Calculați valoarea RMS a tensiunii de intrare necesare, curentul total de sarcină absorbit din sursă, curentul de sarcină trecut prin fiecare diodă și puterea totală disipată de sarcină. Presupuneți caracteristici ideale ale diodelor.

a) Tensiunea de alimentare a redresorului VRMS

VDC = 0,9*VRMS prin urmare: VRMS = VDC ÷ 0,9 = 220/0,9 = 244,4 VRMS

b) Curentul de sarcină IL

IL = VDC ÷ RL = 220/1000 = 0,22 A sau 220 mA

c) Curentul de sarcină trecut prin fiecare diodă ID

Curentul de sarcină este furnizat prin două diode pe ciclu, astfel:

ID = IL ÷ 2 = 0,22/2 = 0,11 A sau 110 mA

d) Puterea disipată de sarcină PL

PL = V*I sau I²*RL = 220*0,22 = 48,4 W

Redresor în punte semi-comandat bi-alternanță

Redresarea bi-alternanță are multe avantaje față de redresorul mai simplu mono-alternanță, cum ar fi tensiunea de ieșire este mai consistentă, are o tensiune medie de ieșire mai mare, frecvența de intrare este dublată de procesul de redresare și necesită un condensator de netezire cu valoarea capacității mai mică, dacă este necesar. Dar putem îmbunătăți schema redresorului în punte folosind tiristoare în loc de diode.

Prin înlocuirea diodelor într-un redresor cu punte monofazat cu tiristoare, putem crea un redresor AC-to-DC controlat în fază pentru a transforma tensiunea de alimentare constantă AC într-o tensiune de ieșire DC controlată. Redresoarele comandate prin fază, fie semi-controlate, fie complet controlate, au multe aplicații în sursele de alimentare cu tensiune variabilă și controlul motorului.

Redresorul cu punte monofazat este ceea ce se numește un "redresor necontrolat" prin faptul că tensiunea de intrare aplicată este trecută direct la bornele de ieșire, furnizând o valoare medie echivalentă DC fixă. Pentru a transforma un redresor cu punte necontrolat într-un circuit redresor semi-controlat monofazat, trebuie doar să înlocuim două diode cu tiristoare (SCR-uri) așa cum se arată.

În configurația redresorului semi-controlat, tensiunea medie DC pe sarcină este controlată utilizând două tiristoare și două diode. Așa cum am învățat în tutorialul despre Tiristoare, un tiristor va conduce ("ON") numai când anodul (A) este mai pozitiv decât catodul (K) și un impuls de aprindere este aplicat porții sale, terminalul G. În caz contrar, rămâne inactiv.

De asemenea, am aflat că odată "ON", un tiristor este comutat "OFF" doar atunci când semnalul de poartă este îndepărtat și curentul anodic a căzut sub curentul de menținere al tiristorului IH, deoarece tensiunea de alimentare AC îl polarizează invers. Astfel, prin întârzierea impulsului de aprindere aplicat pe poarta tiristorului pentru o perioadă controlată de timp, sau unghiul (α), după ce tensiunea de alimentare AC a trecut prin zero, putem controla când tiristorul începe să conducă curentul și, prin urmare, să controleze tensiunea medie de ieșire.

Pe durata alternanței pozitive a semnalului de intrare, curentul curge de-a lungul căii: SCR1 și D2 și înapoi la sursa de alimentare. În timpul alternanței negative a VIN, conducția este prin SCR2 și D1 și înapoi la sursa de alimentare.

Este clar că un tiristor din grupul de sus (SCR1 sau SCR2) și dioda corespunzătoare din grupul de jos (D2 sau D1) trebuie să conducă împreună pentru ca un curent de sarcină să circule.

Astfel, tensiunea de ieșire medie VAVE depinde de unghiul de aprindere α al cele două tiristoare incluse în redresorul semi-comandat, deoarece cele două diode sunt necontrolate și trec curentul când sunt polarizare direct. Deci, pentru orice unghi de aprindere a porții α, tensiunea medie de ieșire este dată de:

Tensiune de ieșire medie a redresorului semi-comandat

Rețineți că tensiunea maximă de ieșire medie are loc atunci când α = 1 dar este încă numai 0,637 * VMAX la fel ca și redresorul cu punte necontrolat monofazat.

Putem lua această idee de a controla tensiunea medie de ieșire a punții cu un pas mai departe prin înlocuirea tuturor celor patru diode cu tiristoare, oferindu-ne un circuit complet comandat de redresor cu punte.

Redresor cu punte complet comandată

Redresoarele cu punte complet-comandată, mono-fazate, sunt cunoscute mai frecvent ca convertoare AC-DC. Convertorul cu punte complet-comandată este utilizat pe scară largă în controlul vitezei mașinilor DC și este ușor de obținut prin înlocuirea tuturor celor patru diode, ale unui redresor cu punte, cu tiristoare, așa cum se arată.

În configurația complet comandată a redresorului, tensiunea DC medie pe sarcină este controlată folosind două tiristoare pe alternanță. Tiristoarele SCR1 și SCR4 sunt aprinse împreună ca o pereche în timpul alternanței pozitive, în timp ce tiristoarele SCR3 și SCR4 sunt de asemenea aprinse împreună ca o pereche în timpul alternanței negativ. Aceasta este la 180° după SCR1 și SCR4.

Deci, în timpul regimului de funcționare continuă, cele patru tiristoare sunt comutate în mod constant ca perechi alternante pentru a menține tensiunea de ieșire medie sau DC echivalentă. La fel ca și la redresorul semi-comandat, tensiunea de ieșire poate fi controlată complet prin modificarea unghiului de întârziere a aprinderii tiristorului (α).

Astfel, expresia pentru tensiunea DC medie de la un redresor complet-controlat monofazat în modul de conducție continuu este dată de:

Tensiunea medie de ieșire a redresorului complet comandat

cu tensiunea medie de ieșire variind de la VMAX/π la -VMAX/π prin modificarea unghiului de aprindere α de la π la 0 respectiv. Deci, atunci când α < 90° tensiunea medie DC este pozitivă și când α > 90° tensiunea medie DC este negativă. Aceasta este fluxul de putere de la sarcina DC la sursa AC.

Am văzut aici, în acest tutorial despre redresarea monofazată, că redresoarele monofazate pot lua mai multe forme pentru a transforma tensiunea AC în tensiune DC de la redresoare mono-alternanță necontrolate cu o singură diodă la redresoare cu punte bi-alternanță, complet-comandate folosind patru tiristoare.

Avantajele redresorului mono-alternanță sunt simplitatea și costul redus, deoarece necesită doar o singură diodă. Dar, nu este foarte eficient deoarece se utilizează doar jumătate din semnalul de intrare, producând o tensiune medie de ieșire joasă.

Redresorul bi-alternanță este mai eficient decât redresorul mono-alternanță, deoarece utilizează ambele alternanțe ale undelor sinusoidale de intrare producând o tensiune de ieșire medie sau DC echivalentă mai mare. Un dezavantaj al circuitului cu punte bi-alternanță este acela că necesită patru diode.

Redresarea controlată în fază utilizează combinații de diode și tiristoare (SCR) pentru a transforma tensiunea de intrare AC într-o tensiune de ieșire DC controlată. Redresoarele comandate complet utilizează patru tiristoare în configurația lor, în timp ce redresoarele semi-comandate utilizează o combinație de tiristoare și diode.

Atunci, indiferent de modul în care o facem, conversia unei forme de undă AC sinusoidală la o sursă constantă DC se numește Redresare.