05 - Redresoare Monofazate [PDF]

Zitiervorschau

Aplicații

Dispozitive electronice

5. Redresoare monofazate Aparatura de laborator: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Macheta pentru realizarea montajului Rezistență decadică Ohmetru Voltmetru de curent alternativ Voltmetru de curent continuu Miliampermetru de curent continuu Osciloscop

5.1.

Consideraţii teoretice

Procesul de redresare constă în transformarea energiei electromagnetice de curent alternativ în energie electromagnetică de curent continuu. Schema bloc a unui redresor monofazat este prezentată în figura 5.1.

~

T

R

F

Rs

Fig. 5.1. Schema bloc a redresorului monofazat. Transformatorul T are rolul de a separa consumatorul de reţea şi de a modifica tensiunea reţelei la valoarea necesară pentru a obţine o anumită tensiune continuă. Redresorul R este un circuit care conţine cel puţin un element neliniar, capabil să transforme tensiunea alternativă într-o formă de undă cu componenta continuă diferită de zero. Filtrul F are rolul de a atenua ondulaţiile tensiunii redresate.

5.1.1. Redresoare monoalternanţă fără filtru Schema electrică a redresorului mono-alternanţă fără filtru este prezentată în figura 5.2. Dacă se consideră un transformator fără pierderi de flux, alimentat în primar cu tensiunea :

31

Aplicații

Dispozitive electronice

e1  E1 sin(t )

(5.1)

în secundar vom obţine :

e2  E2 sin(t )

(5.2)

Rezistenţa de pierderi a transformatorului poate fi calculată cu formula : 2

n  RT  r2   2   r1  n1 

(5.3)

Unde r1 și r2 sunt rezistențele electrice ale înfășurării primare, respectiv secundare, iar n1 și n2 sunt numărul de spire din primar, respectiv din secundar.

iD n1 r1 e1

D

iS

n2 r2

Rs vs

e2

Fig. 5.2. Schema electrică a redresorului monoalternanţă fără filtru. Într–un redresor, dispozitivul semiconductor lucrează la semnal mare, neliniarităţiile dispozitivului producând efectul de redresare. Pentru redresorul prezentat în figura 5.2, pe alternanţa pozitivă a tensiunii din secundarul transformatorului, dioda D este polarizată direct permiţând trecerea curentului prin sarcină, iar pe alternanţa negativă dioda D este blocată, ceea ce înseamnă că doar alternanța pozitivă se va regăsi la ieșirea circuitului, iar cea negativă va fi eliminată. În figura 5.3 sunt reprezentate tensiunea din secundarul transformatorului (neredrersată) și tensiunea de la ieșirea redresorului (redresată monoalternanță).

32

Aplicații

Dispozitive electronice

e2 E2 t[ms] 0

10

20

30

40

50

60

10

20

30

40

50

60

vS E2

t[ms] 0

Fig. 5.3 Formele de undă pentru un redresor monoalternanţă fără filtru. Curentul prin sarcină se deduce analitic din figura 5.3.

is  I s max sin t 

is  0

,

0  t  

(5.4)

  t  2

,

, unde Ismax reprezintă valoarea maximă a curentului prin sarcină şi are valoarea :

I s max 

E2 E2  RT  RD  RS Ri  RS

(5.5)

RD reprezintă rezistenţa diferenţială a diodei şi rezultă din liniarizarea caracteristicii acesteia, iar Ri reprezintă rezistenţa internă a redresorului. Tensiunea pe sarcina rezistivă Rs are expresia :

vs  Rs  is  RS  I s max  sin t 

vs  0

,

0  t  

  t  2

, 33

(5.6)

Aplicații

Dispozitive electronice

Tensiunea medie (redresată) în sarcină este :

1 2

Vo 



2

E2  sin t  d t  

0

E2

(5.7)



Tensiunea efectivă:

Vef 

1 2



2

0

2

E22  sin t  d t  

E2 2

(5.8)

5.1.2 Performanțele redresorului monoalternanță fără filtru a. Caracteristica externă Știind că valoarile medii ale tensiunii și curentului sunt

Vo  Rs  I o

și

Io 

 Vo 

I s max



E2





E2   Ri  Rs 

 Ri  I o

(5.9)

Caracteristica externă a acestui redresor este prezentată în figura 5.4.

Io Iosc

Vo - gol

Vo

Fig. 5.4. Caracteristica externă a redresorului monoalternanță fără filtru. Tensiunea de mers în gol a redresorului se obține pentru curent de sarcină nul și este egală cu

VOgol 

34

E2



(5.10)

Aplicații

Dispozitive electronice

Curentul de scurtcircuit (obținut pentru tensiunea de ieșire zero) are expresia:

I Osc 

E2   Ri

(5.11)

b. Randamentul redresării

E22 P  2  Rs 4   cc   2  40% 2 E2 Pca  4  Rs

(5.12)

c. Factorul de ondulație

E2    2   1,37 E Vo 2 2 Vef

(5.13)



d. Tensiunea inversă maximă pe diodă – tensiunea maximă din secundarul transformatorului

VDinv ,max  E2

(5.14)

5.1.3 Redresoare dublă alternanţă fără filtru Schema electrică a unui redresor dublă alternanță cu priză mediană este prezentată în figura 5.5.

D1 n1 r1

n2 r2

e1

n2 r2

i1

e2 e2

iS vs

D2

Rs

i2

Fig. 5.5. Redresor dublă alternanță cu priză mediană.

35

Aplicații

Dispozitive electronice

În alternanța pozitivă a tensiunii e2, conduce dioda D1 (dioda D2 este blocată), iar în alternanța negativă conduce D2 (dioda D1 este blocată). Curentul prin sarcină are același sens pe ambele alternanțe. Dezavantajul acestei configurații este că tensiunea inversă maximă pe dioda blocată este dublul tensiunii maxime din secundarul transformatorului. Acest dezavantaj este eliminat de redresorul dublă alternanță în punte. Schema electrică a redresorului dublă-alternanţă în punte este prezentată în figura 5.6. iS D2 n1 r1

n2 r2

e1

e2

D1

vs

D3

Rs

D4

Fig. 5.6. Redresor dublă alternanță în punte fără filtru capacitiv. Pe alternanţa pozitivă a tensiunii e2 conduc diodele D2 şi D4 (D1 şi D3 sunt blocate), iar pe alternanţa negativă conduc diodele D1 şi D3 (D2 şi D4 sunt blocate). Formele de undă ale tensiunii din secundarul transformatorului sunt prezentate în figura 5.7.

36

Aplicații

Dispozitive electronice

e2 E2 t[ms] 0

10

40

30

20

50

60

vS E2

t[ms] 0

10

40

30

20

50

60

Fig. 5.7. Formele de undă pentru un redresor dublă alternanță fără filtru. Tensiunea medie (redresată) la ieşirea redresorului dublă alternanţă este :

Vo 

2 E2

(5.15)

Vef 

E2 2

(5.16)



iar tensiunea efectivă:

unde VSmax reprezintă valoarea maximă a tensiunii din sarcină și are valoarea:

Vs max 

Rs  E2 Ri  Rs

(5.17)

5.1.4 Performanţele redresorului dublă alternanţă fără filtru: a. Caracteristica externă

Vo 

2 E2



 Ri  I o

37

(5.18)

Aplicații

Dispozitive electronice

b. Randamentul redresării



Pcc 8  2  80% Pca 

(5.19)

c. Factorul de ondulaţie E2    2  1,11 2 E Vo 2 2 2 Vef

(5.20)



d. Tensiunea inversă maximă pe diodă – tensiunea maximă din secundarul transformatorului.

VDinv ,max  2  E2

- pentru redresorul cu priză mediană (5.21)

VDinv ,max  E2 - pentru redresorul cu punte de diode (5.22)

5.1.5 Redresorul monoalternanță cu filtru capacitiv Pentru a reduce pulsațiile tensiunii de ieșirea, aceasta este filtrată cu ajutorul unui condensator electrolitic de capacitate mare montat în paralel cu bornele de ieșire. Schema electrică a unui redresor monoalternanță cu filtru capacitiv este prezentată în figura 5.8.

iD n1 r1

n2 r2

e1

e2

D

iS C Rs vs

Fig. 5.8. Redresor monoalternanță cu filtru capacitiv. Formele de undă corespunzătoare circuitului din figura 4.8 sunt prezentate în figura 5.9. De aici se poate observa că dioda D conduce doar o parte din alternanța pozitivă, când tensiunea din secundarul transformatorului este mai mare decât tensiunea de pe condensator. Condensatorul se încarcă spre vârful tensiunii e2 când dioda conduce, interval în care vS=e2. Când dioda este blocată condensatorul se descarcă prin rezistența de sarcină.

38

Aplicații

Dispozitive electronice

e2 E2 t[ms] 0

10

30

20

40

50

60

vS E2

t[ms] 0

10

20

tc

30

40

50

60

iD

IDmax

t[ms] 0

10

20

30

40

50

60

Fig. 5.9. Formele de undă corespunzătoare unui redresor monoalternanță cu filtru capacitiv: tensiunea din secundar, tensiunea redresată, respectiv curentul prin dioda redresoare. Timpului de conducție al diodei îi corespunde unghiul de conducție, definit cu formula :

c    tC

(5.23)

Notând cu VSmax amplitudinea tensiunii din secundarul transformatorului și cu Vo tensiunea medie de pe rezistența de sarcină, variația tensiunii din sarcină se poate scrie astfel :

Vo  2  E2  Vo  39

(5.24)

Aplicații

Dispozitive electronice

5.1.6 Performanţele redresorului monoalternanţă cu filtru capacitiv: Caracteristica externă – se determină punând condiția de regim staționar, adică sarcina acumulată de condensator la încărcare să fie egală cu sarcina pierdută la descărcare. 

Pentru încărcare : 𝛥𝑞 = 𝐶 ⋅ 𝛥𝑉𝑜



(5.25)

Pentru descărcare :

q  I o  T  tC   I o  T 

2 I o



(5.26)

Din aceste relații se obține caracteristica externă a redresorului monoalternanță cu filtru capacitiv :

Vo  E2 

 I C o

(5.27)

b. Factorul de ondulație

Vo 2  Vo   C  Rs

(5.28)

c. Raportul dintre curentul maxim prin diodă și curentul mediu prin sarcină – se determină presupunând curentul maxim prin condensator constant în intervalul de conducție al diodei.  Pentru încărcare :

q  I Dmax  tc  I Dmax  

c 

(5.29)

Pentru descărcare :

q 

40

2 I o



(5.30)

Aplicații

Dispozitive electronice

Deci :

I Dmax Io



2

(5.31)

c

d. Tensiunea maximă pe diodă – dublul tensiunii maxime din secundarul transformatorului.

VDinv ,max  2  E2 - pentru redresorul cu priză mediană (5.32)

VDinv ,max  E2 - pentru redresorul c u punte de diode (5.33) Diminuarea factorului de ondulație are ca efect creșterea curentului maxim prin diodă.

5.1.7 Redresorul dublă-alternanță cu filtru capacitiv La fel ca și la redresorul monoalternanță, și la redresorul dublă-alternanță, în paralel cu ieșirea se conectează un condensator electrolitic de capacitate mare cu scopul de a reduce ondulațiile tensiunii de ieșire. În figura 5.10 este prezentată schema electrică a variantei cu punte redresoare. iS D2 n1 r1

n2 r2

e1

e2

D1 C vs

D3

Rs

D4

Fig. 5.10. Redresor dublă alternanță în punte cu filtru capacitiv. Forma de undă obținută la ieșire poate fi văzută în figura 5.11. deoarece la redresorul dublă-alternanță condensatorul are la dispoziție un timp mai scurt pentru descărcare, ondulațiile tensiunii de ieșire sunt mai mici în comparație cu redresorul monoalternanță. Pentru redresorul dublă alternanță cu filtru capacitiv, se deduce: a. Caracteristica externă :

41

Aplicații

Dispozitive electronice

Vo  E2 

  Io 2C

(5.34)

b. Factorul de ondulație :

Vo   Vo   C  Rs

(5.35)

e2 E2 t[ms] 0

10

30

20

40

50

60

vS E2

t[ms] 0

10

20

tc

30

40

50

60

iD IDmax

t[ms] 0

10

20

30

40

50

60

Fig. 5.11. Formele de undă corespunzătoare unui redresor dubă-alternanță cu filtru capacitiv: tensiunea din secundar, tensiunea redresată și, respectiv, curentul prin una din diode.

42

Aplicații

Dispozitive electronice

5.2.

Mersul lucrării

5.2.1. Se realizează circuitul din figura 5.2 (redresor monoalternanţă fără filtru capacitiv), unde ca sarcină se folosește o rezistenţă. Cu ajutorul osciloscopului se vizualizează tensiunea din secundarul transformatorului şi cea de pe sarcină. Se desenează în caiet tensiunea de sarcină.

V1

T

5.2.2. Se măsoară curentul redresat și tensiuniea redresată. Se modifică valoarea rezistenţei şi se fac citiri succesive ale curentului redresat şi ale tensiunii de pe sarcină. Rezultatele se trec în tabelul de mai jos.

43

Aplicații

Dispozitive electronice

Tabelul 5.1 50 100

Ro (Ohm) 1 10 20 200 500 1000 IoRMS (mA) UoRMS (V) Valorile din tabel se reprezintă grafic pentru a obține carcateristica de ieșire a redresorului. 5.2.3. Se realizează montajul din figura 5.8 (redresor monoalternanţă cu filtru capacitiv) prin introducerea condensatorului C1 (10μF) şi se vizualizează tensiunea de pe sarcină, curentul prin condensator şi curentul prin diodă. Se vizualizează curentul prin sarcină pentru cele trei valori ale condensatorului de filtraj.

Ro (Ohm) IoRMS (mA) UoRMS (V)

1

10

20

50

100

200

500

1000

5.2.4. Se repetă punctul 5.2.3 pentru o valoare a rezistenței de sarcină de 500Ohm și pentru condensatoarele C2 = 100μF şi C3 = 1000μF şi se completează tabelul de mai jos C (μF) IoRMS (mA) UoRMS (V) ΔVo

10

100

1000

5.2.5. Se realizează montajul din figura 5.6 (redresor dublă alternanță în punte fără filtru capacitiv).

44

Aplicații

Dispozitive electronice

5.2.5. Se repetă punctul 5.2.2. Ro (Ohm) IoRMS (mA) UoRMS (V)

1

10

20

50

100

200

500

1000

5.2.6. Se realizează montajul din figura 5.10 (redresor dublă alternanță în punte cu filtru capacitiv) prin introducerea condensatorului C1 (10μF) şi se vizualizează tensiunea de pe sarcină, curentul prin condensator şi curentul prin diodă.

5.2.7. Se repetă punctul 5.2.6. pentru condensatoarele C2 = 100μF şi C3 = 1000μF şi se completează tabelul:

45

Aplicații

Dispozitive electronice

C (μF) IoRMS (mA) UoRMS (V) ΔVo

10

100

1000

Întrebări și exerciții 1. Să se ridice caracteristica externă a redresorului monoalternanță fără filtru capacitiv și să se calculeze rezistența internă a acestuia. 2. Să se traseze caracteristica externă a redresorului dublă alternanţă fără filtru şi a redresorului monoalternanţă cu filtru capacitiv. Să se calculeaze rezistenţele interne a celor două redresoare. 3. Să se reprezinte grafic dependenţa raportului IDmax / IO în funcţie de capacitatea condensatorul de filtraj. 4. Să se calculeze unghiul de conducție al unui redresor monoalternanță cu filtru capacitiv care are curentul maxim prin diodă de 60mA și curentul mediu redresat prin sarcină de 20mA. 5. Ce valoare trebuie să aibă condensatorul de filtraj al unui redresor monoalternanță cu filtru capacitiv astfel încât pe o rezistență de sarcină de 1kΩ să se obțină un factor de ondulație γ = 0,02.

46