Aplicatii ale diodelor. Redresoare

Aplicatii ale diodelor. Redresoare

1. Domeniul de aplicatie

Un domeniu in care se utilizeaza frecvent circuite cu diode pentru realizarea redresarii tensiunii alternative este cel al surselor de alimentare. Schema bloc a unui surse de alimentare este prezentata in figura urmatoare:

Transformatorul Tr coboara tensiunea U1 la valoarea U2, necesara obtinerii tensiunii continue U₀. Redresorul R este elementul esential al schemei. La iesirea lui se obtine tensiunea redresata care are o componenta alternativa, nedorita. Filtrul F are rolul de a diminua componenta alternativa din tensiunea redresata. Tensiunea continua U_F de la iesirea filtrului se poate modifica fie din cauza variatiei tensiunii de alimentare U₁, fie din cauza modificarii rezistentei de sarcina R_S. Stabilizatorul de tensiune continua STC conectat intre filtru si sarcina, are rolul de a mentine constanta tensiunea U_st in functie de variatiile prescrise lui R_S si U₁.

2. Redresoare monofazate monoalternanta cu sarcina rezistiva

Redresarea este procesul de transformare a energiei electromagnetice a unei surse de curent alternativ in energie electromagnetica de curent continuu pentru alimentarea unui element consumator. Redresarea cu mijloace electronice este posibila datorita proprietatii de conductibilitate unidirectionala a dispozitivelor electronice, in speta diode. Schema electrica a unui asemenea redresor este prezentata in figura:

unde: u₁=U_1m cosωt = tensiunea din primarul transformatorului, u₂=U_2m cosωt = tensiunea din secundarul transformatorului si n₁/n₂ = u₁/u₂ = raportul de transformare.

In semiperioada pozitiva (marcata pe desenul notat cu a)), dioda conduce lasand sa treaca un curent i_S(t) care da o cadere de tensiune u_S(t) pe rezistenta R_S. Circuitul echivalent pe acest interval este dat in figura notata cu b), unde s-a notat cu R_d =rezistenta interna a diodei in conductie, r₂ =rezistenta infasurarii secundare a transformatorului si r₁(n₂/n₁) =rezistenta infasurarii primare reflectata in secundar.

In cealalta semiperioada dioda este blocata si curentul prin circuit este practic nul. Daca tensiunea u₂(t) >> decat caderea de tensiune pe dioda in conductie, atunci R_d se poate neglija. Pe circuitul echivalent se poate scrie:

Formele tensiunii la intrare in redresor si pe rezistenta de sarcina sunt prezentate in figura:

Tensiunea medie redresata va fi egala cu:

Dupa cum s-a mai precizat tensiunea u_S are o componenta continua U₀, egala cu valoarea medie a tensiunii u_S si o componenta alternativa u~, astfel incat

unde U_n = valoarea efectiva a armonicii de ordin n si φ_n = faza initiala a armonicii de ordinul n .

Pe baza scrierii sub forma unei serii Fourier avem:

Coeficientii seriei Fourier se definesc prin:

n=1   

n=2   

n=3   

n=4    samd

, cu exceptia lui

Deci notand si pentru ca <<

Puterea utila pe sarcina este determinata numai de componenta continua si astfel este justificat sa se introduca randamentul redresorului ca raportul dintre puterea de c.c. debitata pe sarcina si puterea totala:

3. Redresare dubla alternanta cu sarcina rezistiva

Redresoarele dubla alternanta se realizeaza dupa doua scheme:

a)cu transformator cu priza mediana si doua diode;

b)cu punte cu diode

31. Redresor bialternanta cu transformator cu priza mediana

Schema acestui tip de redresor este prezentata in figura urmatoare:

Se considera in continuare ca transformatorul si diodele sunt ideale, adica rezistenta secundarului transformatorului este nula si rezistenta in conductie a diodelor este nula. Cele doua sectiuni ale infasurarii secundarului sunt identice, adica . Diodele conduc alternativ, adica: pentru semialternanta pozitiva conduce D1iar pentru semialternanta negativa conduce D2.

Expresia analitica a tensiunii redresate:

Ca si in cazul precedent exista doua componente ale lui Us(ωt) - o componenta continua U0 si una alternativa U~ .Se poate scrie:

pentru n=2,4,6,...

Deci Rezulta:

- randamentul:

3.2. Redresor bialternanta cu punte de diode

Schema unui astfel de redresor este prezentata in figura de mai jos.

In timpul semialternantei pozitive diodele D1 si D3 sunt polarizate direct, curentul inchizandu-se prin Rs. Diodele D2 si D4 sunt polarizate invers deci blocate.

In timpul semialternantei negative D2 si D4 sunt polarizate direct si conduc, curentul inchizandu-se prin Rs, in acelasi sensca si in cazul semialternantei pozitive D1 si D3 sunt polarizate invers si deci blocate. Toti coeficientii K_R, F si γ au aceasi valoare ca la redresorul cu priza mediana. Comparand cele doua scheme de redresoare dubla alternanta se pot retine urmatoarele:

pentru aceeasi putere P₀ in sarcina, puterea aparenta necesara transformatorului este mai mare la schema cu punct median;

la schema in punte, datorita conductiei in permanenta a doua diode, rezulta o cadere de tensiune pe diode, dubla fata de schema cu punct median;

tensiunea redresata obtinuta cu a doua schema, pentru aceeasi tensiune in secundarul transformatorului, este de doua ori mai mare;

tensiunea inversa maxima pe diode, pentru aceeasi tensiune redresata este de doua ori mai mare la schema cu punct median.

Proiectarea unui circuit de redresare se incepe cu urmatoarele date:

valoarea medie a tensiunii redresate U_{0 necesar}

valoarea maxima a curentului mediu redresat necesar I_{0max necesar}

In cataloagele de firma pentru fiecare dioda se dau:

valoarea medie maxima a curentului prin dioda : I_0max

valoarea tensiunii de strapungere a diodei la polarizare inversa : U_R

Pe baza datelor din catalog se alege o dioda care sa asigure;

I₀ > I_{0max necesar}

U_R > U_{2max necesar}

O data ales tipul diodei, se determina din catalog (din caracteristica diodei) caderea de tensiune pe dioda, la polarizare directa, pentru curentul I_{0max necesar} - se noteaza cu U_F. Puterea medie disipata pe dioda este P_d = I_{0max necesar} U_F . Aceasta valoare trebuie sa fie mai mica decat P_dmax (din catalog) . Pe baza lui P_d se calculeaza suprafata radiatorului aferent.

4. Filtre de netezire

Analizind variatia in timp a curentului si tensiunii redresate se constata ca acestea au un caracter pulsatoriu. Pentru a obtine o tensiune continua e necesar ca pulsatiile tensiunii redresate sa fie reduse cat mai mult posibil cu ajutorul unui filtru de netezire. In acelasi timp, filtrul trebuie sa produca o atenuare neinsemnata a tensiunii redresate. Din dezvoltarea in serie Fourier a functiei periodice a tensiunii de redresate s-a constatat ca aceasta contine ocomponenta continua si o infinitate de componente alternative (armonici). Filtrul de netezire trebuie sa atenueze cat mai putin componenta continua a tensiunii redresate si sa atenueze cat mai mult componentele alternative ale acestei tensiuni. Pentru a indeplini aceasta functiune, filtrul trebuie sa cuprinda fie elemente de circuit cu impedanta mare in c.a., legate in serie in circuit fie elemente de circuit cu impedanta mica in c.a., legate in paralel. Astfel, filtrele de netezire se impart in doua categorii: cu intrare pe inductanta (reactanta = ωL) si cu intrare pe capacitate (reactanta).

a).Utilizarea bobinei ca filtru se bazeaza pe proprietatea inductantei de a se opune variatiei curentului prin ea. Variatia in timp a tensiunii redresate in cazul folosirii bobinei ca filtru si in absenta ei sunt prezentate in figura c).

c). Filtru cu intrare pe inductanta d). Filtru cu intrare pe condensator

Cu U₀ = tensiunea medie redresata; U_a =amplitudinea componentei alternative care se mai resimte pe rezistenta de sarcina la redresarea bialternanta. Raportul γ = U_a/U₀ = factor de ondulatie.    In cazul filtrului inductiv se poate demonstra ca γ =

Aceasta expresie arata ca efectul de filtrare este mai bun (γ mai mic) cu cat R_s este mai mic (curentul de sarcina este mai mare) si cu cat L este mai mare. Tinand cont ca frecventa este de 50 Hz pentru realizarea unei inductante cat mai mari se utilizeaza de obicei bobine cu miez de fier.

a) Daca se considera un circuit de redresor bialternanta cu punct de nul caruia i s-a adaugat in paralel cu rezistenta de sarcina, R_s, un condensator de capacitate C, se realizeaza o filtrare capacitiva.

Se observa din figura d). forma de unda a tensiunii pe condensator. Condensatorul se incarca prin circuitul format din secundar si rezistenta diodei care conduce (este polarizata direct). Rezistenta diodei in conductie se stie ca este foarte mica rezultand astfel curentul de incarcare mare si timpul de incarcare scurt. Deci condensatorul se incarca si inmagazineaza energie. Din momentul in care tensiunea din secundar este mai mica decat tensiunea oe condensator, condensatorul se descarca pe rezistenta R_s, furnizand energie (curent). Descarcarea se face lent deoarece R_s este mult mai mare decat rezistenta in stare de conductie a diodei. In consecinta tensiunea redresata e practic continua.

Din figura se observa si ca dioda redresoare care este in conductie conduce atata timp cat tensiunea din secundar este mai mare decat tensiunea pe condensator. Din momentul in care tensiunea din secundar este mai mica decat tensiunea pe condensator, dioda se polarizeaza invers si se blocheaza si condensatorul este cel care furnizeaza curentul pentru R_s. Forma de unda a tensiunii filtrate pe condensator este triunghiulara si se poate arata ca factorul de ondulatie are forma γ =. Aceasta relatie arata ca efectul de filtrare creste o data cu cresterea lui R_s (scaderea curentului de sarcina). Efectul de filtrare se mareste o data cu cresterea capacitatii condensatorului. Cresterea capacitatii atrage dupa sine cresterea impulsurilor de curent prin diode, care in primele semialternante (cand condensatorul este descarcat) poate sa ajunga la valori de 30 - 100 ori mai mari decat curentul de sarcina, distrugand transformatorul si dioda redresoare.

Tensiunea medie redresata pentru aceeasi tensiune alternativa si acelasi curent de sarcina este mai mare in cazul unui filtru cu intrare pe capacitate decat la un filtru inductiv, dar la filtrul inductiv raportul dintre curentul de varf si curentul mediu este mai mic.

Pentru a se obtine un efect de filtrare cat mai mare (γ mic) se utilizeaza combinatii ale acestor doua filtre simple.