Redresoare monofazate de tensiune

Redresoare monofazate de tensiune

Sunt circuite utilizate in sursele de alimentare ale sistemelor electronice. Circuitul realizeaza conversia energiei de curent alternativ in energie de curent continuu. Exista 2 tipuri de redresoare monofozate si anume:

redresoare monoalternanta

redresoare bialternanta

Redresoare monofazate monoalternanta

Schema de baza a redresorului este prezentata in Figura 17.a, unde D reprezinta o dioda semiconductoare speciala, denumita dioda redresoare, iar R_L este rezistenta de sarcina a redresorului. La intrarea redesorului se aplica o tensiune sinusiodala v_i(t) de amplitudine mare (in general intre 10V20V), a carei componenta medie este nula (variatia tensiunii de intrare este axata pe zero).

Figura 17. Schema redresorului monofazat monoalternanta.

Funtionarea redresorului depinde de alternanta tensiunii sinusoidale de intrare. Determinarea tensiunii de iesire v_o(t) se va efectua pe 2 circuite echivalente diferite, care depinde de alternanta tensiunii de intrare v_i(t).

Astfel, in alternanta pozitiva, cand v_i(t)>0V, pe baza referintei adoptate pentru tensiunea v_i(t) in schema redresorului, dioda D este polarizata direct si poate fi inlocuita cu modelul prezentat in Figura 6.a. Deoarece amplitudinea tensiunii de intrare este mult mai mare decat valoarea tensiunii de prag a diodei (V_D 0,6V), valoarea parametrului V_D se poate aproxima ca fiind 0V, fara a se obtine erori mari in analiza care urmeaza. Totodata, pentru simplificarea analizei, rezistenta r_D a diodei din modelul prezentat in Figura 6.a se va considera 0Ω. Prin aceste aproximari, modelul diodei din Figura 6.a se poate reduce la un simplu fir. In consecinta, comportamentul redresorului pentru cazul in care v_i(t)>0V (alternanta pozitiva) poate fi analizat pe baza circuitului echivalent din Figura 18.a. Aplicand TK2 pe ochiul de circuit din figura respectiva, rezulta ca, daca v_i(t)>0V, atunci tensiunea de iesire este egala cu tensiunea de intrare.

Figura 18. Circuitele echivalente care modeleaza comportamentul redresorului in functie de semnalul tensiunii de intrare v_i(t).

In alternanta negativa, cand v_i(t)<0V, dioda D este polarizata invers si poate fi inlocuita cu modelul prezentat in Figura 6.b. In consecinta, comportamentul redresorului pentru cazul in care v_i(t)<0V (alternanta negativa) poate fi analizat pe baza circuitului echivalent din Figura 18.b. Datorita inlocuirii diodei D cu un cicruit deschis, curentul prin circuit devine zero, iar tensiunea de iesire, conform legii lui Ohm, devine la randul sau zero.

Asadar, comportamentul redresorului monoalternanta poate fi descris prin intermediul ecuatiei de mai jos:

3.8

Pe baza acestei ecuatii, forma de unda a tensiunii de iesire a redresorului rezulta conform celei prezentate in Figura 19.

Figura 19. Formele de unda ale tensiunilor redresorului.

Se observa ca variatia tensiunii de iesire s-a redus la jumatate din variatia tensiunii de intrare. Chiar si cu aceasta reducere, rezultatul nu este satisfacator - este de dorit ca la iesirea redresorului sa se obtina o tensiune de variatie cat mai redusa, ideal de variatie zero, adica o tensiune continua.

Pentru obtinerea unei variatii si mai reduse pentru tensiunea de iesire a redresorului, la iesirea acestuia, in paralel cu R_L, se introduce un condensator de capacitate foarte mare, denumit condensator de filtrare, varianta prezentata in Figura 17.b. Rolul condensatorului este de a limita variatia tensiunii de iesire. In Figura 20 se prezinta variatia tensiunii de iesire pentru cazul in care redresorul dispune de un condensator de filtrare (pentru comparatie, cu linie mai deschisa la culoare se prezinta si forma de unda a tensiunii de iesire a redresorului fara filtru.

Figura 20. Variatia tensiunii de iesire a redresorului cu condensator de filtrare.

Pentru ca efectul de filtrare sa fie semnificativ, capacitatea condensatorului trebuie sa satisfaca urmatoarea conditie:

3.9

unde f reprezinta frecventa tensiunii de intrare.

Presupunand ca valoarea capacitatii C este infinita, se poate demonstra ca tensiunea care se obtine la iesirea redresorului devine egala cu valoarea:

3.10

unde V_i reprezinta amplitudinea tensiunii aplicate la intrarea redresorului, iar V_o reprezinta tensiunea continua care se obtine prin filtrare la iesirea redresorului si care reprezinta de fapt valorea medie a tensiunii de iesire a redresorului fara filtru (fara condensator). Din acest motiv, se mai spune ca rolul condensatorului de filtrare este de a "scoate" valoarea medie a tensiunii de iesire a redresorului fara filtru.

Se poate demonstra ca variatia Dv_o a tensiunii de iesire depinde de valoarea capacitatii C conform relatiei:

3.11

unde V_o are valoarea din expresia 3.10. Asadar, cu cat capacitatea C a condensatorului de filtrare este mai mare, cu atat variatia tensiunii de iesire este mai redusa.

Redresoare monofazate bialternanta

Aceste redresoare au performante superioare celor precedente. Exista 2 variante de baza ale redresorului bialternanta: in punte si cu priza mediana. Din cele 2 variante, cea mai performanta este cea in punte, din acest motiv numai aceasta varianta va fi prezentata in continuare.

Scheme redresorului bialternanta in punte este prezentata in Figura 21.a. Diodele utilizate sunt diode redresoare. Semnificatia marimilor electrice din circuit este aceeasi ca si in cazul redresorului precedent.

Figura 21. Schema redresorului monofazat bialternanta in punte.

Funtionarea redresorului depinde de alternanta tensiunii sinusoidale de intrare. Determinarea tensiunii de iesire v_o(t) se va efectua pe 2 circuite echivalente diferite, care depinde de alternanta tensiunii de intrare v_i(t).

Astfel, in alternanta pozitiva, cand v_i(t)>0V, pe baza referintei adoptate pentru tensiunea v_i(t) in schema redresorului, diodele D1 si D2 sunt polarizate direct, iar D3 si D4 sunt polarizate invers. Inlocuind diodele cu modelele corespunzatoare conductiei in care acestea se afla, conform observatiilor prezentate in cadrul analizei redresorului precedent, comportamentul redresorului pentru cazul in care v_i(t)>0V (alternanta pozitiva) poate fi analizat pe baza circuitului echivalent din Figura 22.a. Aplicand TK2 pe ochiul de circuit din figura respectiva, rezulta ca, daca v_i(t)>0V, atunci tensiunea de iesire este egala cu tensiunea de intrare.

In alternanta negativa, cand v_i(t)<0V, diodele D1 si D2 sunt polarizate invers, iar D3 si D4 sunt polarizate direct. Inlocuind diodele cu modelele corespunzatoare conductiei in care acestea se afla, conform observatiilor prezentate in cadrul analizei redresorului precedent, comportamentul redresorului pentru cazul in care v_i(t)<0V (alternanta pozitiva) poate fi analizat pe baza circuitului echivalent din Figura 22.b. Aplicand TK2 pe ochiul de circuit din figura respectiva, rezulta ca, daca v_i(t)<0V, atunci tensiunea de iesire este egala cu tensiunea de intrare inversata.

Figura 22. Circuitele echivalente care modeleaza comportamentul redresorului in functie de semnalul tensiunii de intrare v_i(t).

Asadar, comportamentul redresorului monoalternanta poate fi descris prin intermediul ecuatiei de mai jos:

3.12

Pe baza acestei ecuatii, forma de unda a tensiunii de iesire a redresorului rezulta conform celei prezentate in Figura 23.

Figura 23. Formele de unda ale tensiunilor redresorului.

Pentru obtinerea unei variatii mai reduse pentru tensiunea de iesire a redresorului, la iesirea acestuia, in paralel cu R_L, asa cum se prezinta in Figura 21.b, se introduce un condensator de capacitate foarte mare, denumit condensator de filtrare. In Figura 24 se prezinta variatia tensiunii de iesire pentru cazul in care redresorul dispune de un condensator de filtrare (pentru comparatie, cu linie mai deschisa la culoare se prezinta si forma de unda a tensiunii de iesire a redresorului fara filtru.

Figura 24. Variatia tensiunii de iesire a redresorului cu condensator de filtrare.

Pentru ca efectul de filtrare sa fie semnificativ, capacitatea condensatorului trebuie sa satisfaca conditia 3.9. Presupunand ca valoarea capacitatii C este infinita, se poate demonstra ca tensiunea care se obtine la iesirea redresorului devine egala cu valoarea:

3.13

unde V_i reprezinta amplitudinea tensiunii aplicate la intrarea redresorului, iar V_o reprezinta tensiunea continua care se obtine prin filtrare la iesirea redresorului si care reprezinta de fapt valoarea medie a tensiunii de iesire a redresorului fara filtru (fara condensator).

Variatia tensiunii de iesire depinde de valoarea capacitatii C conform relatiei 3.11, unde V_o are valoarea din expresia 3.13. Din relatia de mai sus se observa ca, in comparatie cu redresorul precedent, la aceeasi valoare a capacitatii C a condensatorului de filtrare, variatia tensiunii de iesire se injumatateste, ceea ce constituie un avantaj deoarece este preferabil ca valoarea lui C sa fie cat mai mica (cu cat condensatorul are capacitate mai mare cu atat este mai voluminos, iar performantele sale se reduc).

Pentru ambele variante de redresoare, in cazul introducerii condensatorului de filtrare, in serie cu dioda D - pentru redresorul monoalternanta, respectiv intre puntea de diode D₁D₄ si R_L - pentru redresorul bialternanta, se introduce o rezistenta de limitare a cuerntului prin diode, care le protejeaza pe acestea in cazul in care condensatorul de filtrare C este descarcat, situatie in care curentul prin diode ar fi foarte mare, ceea ce ar putea cauza distrugerea acestora.