LCAEA N.4 CICITE DE EDEAE ŞI FILTAE 1.Introducere edresarea este procesul de transformare a curentului alternativ în curent continuu. edresarea este necesară pentru mulţi consumatori electrici la care curentul trebuie să aibă mereu acelaşi sens: instalaţii electrochimice, instalaţii de tratament în atmosferă controlată, motoare de curent continuu, acumulatoare şi bineânţeles aparatura electronică. Circuitele care execută această transformare se numesc circuite de redresare sau prescurtat redresoare. Circuitele redresoare pot lucra cu tensiune monofazată de 220V c.a. a reţelei obişnuite sau cu tensiunea trifazată de 3x380V c.a. a reţelelor de forţă. Există redresoare comandate la care se poate modifica valoarea tensiunii continue în sarcină prin utilizarea unor componente semiconductoare speciale (tiristor, triac, tranzistor IGBT ş.a.). Fig.1 chema bloc a unui circuit de redresare bialternanţă echipat cu filtru şi formele de unda ale tensiunilor în circuit : 1- transformator de reţea coborâtor, 2- redresor bialternanţă cu diode, 3- filtru cu condensator, 4- rezistenţă de sarcină. a- forma tensiunii la intrarea redresorului, b- tensiunea pe sarcină cu filtrul deconectat, c- tensiunea pe sarcină cu filtrul conectat. 47
FLOIN MIHAI TFEC ELECTONICĂ FIZICĂ LCĂI PACTICE În urma redresării se obţine o variaţie mare a curentului prin sarcină iar în cazul reţelei monofazate există momente în care curentul devine zero. Mulţi consumatori electrici nu suportă un asemenea regim pulsat de curent şi necesită o filtrare care să niveleleze forma acestuia. În fig.1 se prezintă schema bloc a unui circuit de redresare echipat cu filtru şi formele tensiunii în cazul unei sarcini rezistive conectate la ieşire. eţeaua de transport şi distribuţie a energiei electrice în omânia utilizează curentul alternativ cu tensiunea de 220V/380V şi frecvenţa de 50Hz. (în unele state există alte tensiuni şi frecvenţe ale reţelelor de distribuţie). edresorul este constituit din: 1- transformatorul cu rolul de a aduce tensiunea reţelei la o valoare pentru ca la ieşirea redresorului să se obţină o anumită tensiune redresată. aportul de transformare este definit prin n 1 : n 2 = 1m : 2m ; 2- elementul redresor propriu-zis cu caracteristică neliniară şi conducţie unidirecţională care realizează redresarea ; 3- filtrul de netezire care reduce pulsaţiile tensiunii redresate şi este constituit de obicei din elemente pasive, L, C. În unele aplicaţii redresorul poate să nu fie prevăzut cu filtru de netezire (alimentarea unor motoare de curent continuu, circuite de generare a impulsurilor ş.a.) Parametrii care definesc un redresor sunt: tensiunea medie redresată obţinută în sarcină: s curentul mediu redresat care strabate sarcina: I s factorul de ondulaţie, definit ca: γ p s (1) unde p este amplitudinea armonicii de frecvenţa cea mai joasă prezentă la ieşire. O redresare de calitate presupune un factor de ondulaţie scăzut. 48
LCAEA N.4 Circuite de redresare şi filtrare, funcţionare şi performanţe andamentul de redresare, definit de relaţia: η P P C (2) unde P = I, este puterea utilă în sarcină, iar P C este puterea furnizată de transformator în circuit. Există două tipuri de redresare: monoalternanţă şi bialternanţă. 2. edresor monoalternanţă chema redresorului monoalternanţă este dată în fig.2, şi constă din: transformatorul de reţea Tr., dioda D şi rezistenţa de sarcină. Tensiunea medie la bornele rezistenţei de sarcină este: T 2 (3.26) 1 1 med u(t)dt sin T T dt 0 T 2 0 t t (3) π t Fig. 2 edresor monoalternanţă şi diagramele de funcţionare 49
FLOIN MIHAI TFEC ELECTONICĂ FIZICĂ LCĂI PACTICE unde este amplitudinea tensiunii din secundarul transformatorului, ω este pulsaţia acesteia, t este rezistenţa totală a diodei şi a secundarului transformatorului de reţea. Dacă se neglijează t se obţine: med π I med med π( t t ) (4) Curentul maxim prin diodă va fi: I max (5) iar tensiunea inversă maximă pe diodă va fi: M (6) Dacă se ia în consideraţie căderea de tensiune pe diodă de valoare aproximativă constantă D0, atunci tensiunea medie pe sarcină devine: 3. edresor bialternanţă în punte chema redresorului bialternanţă în punte de diode este prezentată în fig. 3. Pe durata alternanţei pozitive a tensiunii furnizate de transformatorul de reţea diodele D 1 şi D 3 sunt polarizate direct şi conduc, în timp ce diodele D 2 şi D 4 sunt blocate. Pe durata alternanţei negative diodele D 2 şi D 4 conduc, iar diodele D 1 şi D 3 sunt blocate. Curentul I prin rezistorul de sarcină are tot timpul acelaşi sens. π D0 (7) 50
LCAEA N.4 Circuite de redresare şi filtrare, funcţionare şi performanţe med Fig. 3 a- chema redresorului bialternanţă în punte; b- diagramele tensiunilor şi curenţilor. Tensiunea medie la bornele rezistorului de sarcină este: T T 2 2 2 2 u(t)dt sinωtdt 2 T T (8) 0 0 t () π t unde t reprezintă suma dintre rezistenţele în conducţie ale perechilor de diode D 1, D 3, respectiv D 2, D 4 şi a rezistenţei înfăşurării secundare a transformatorului de reţea. Dacă se neglijează t atunci: med Curentul mediu redresat este: 2 π (9) I med 2 π (10) 51
FLOIN MIHAI TFEC ELECTONICĂ FIZICĂ LCĂI PACTICE Curentul maxim prin diodele punţii este acelaşi ca la redresarea monoalternanţă. Tensiunea inversă maximă pe o diodă va fi jumătate din tensiunea din secundar (avem două diode în serie): (11) M 2 Dacă se ia în consideraţie căderea de tensiune pe o diodă şi se consideră că aceasta are o valoare aproximativ constantă D0, atunci tensiunea medie pe sarcină devine: 2 π DO (12) Forma semnalelor corespunzătoare redresării bialternanţă cu punte de diode este dată în fig. 3. b. În tabelul 1 se dau parametrii reprezentativi pentru fiecare din redresoarele prezentate anterior, parametri utili în proiectare. Tabelul 1 Compararea performanţelor diferitelor tipuri de redresoare Tipul redresorului Monoalternanţă Bialternanţă Bialternanţă cu priză în punte Eficienţa de conversie 0,406 0,812 0,812 Frecvenţa pulsaţiilor f 2f 2f Tensiunea continuă de ieşire 0,318 2 0,636 2 0,636 2 Coeficientul de pulsaţii 1,21 0,482 0,482 Tensiunea inversă pe o diodă 2 2 2 2 2 Coef. de utilizare al transf. 0,287 0,693 0,812 4. Filtrarea curentului redresat Filtrele de netezire sunt filtre trece jos care atenuează pulsaţiile tensiunii redresate, lăsând neschimbată componenta continuă. e folosesc filtre cu diferite structuri care conţin capacităţi, rezistenţe, inductanţe. Cele mai folosite sunt filtrele capacitive. 52
LCAEA N.4 Circuite de redresare şi filtrare, funcţionare şi performanţe edresorul cu filtru capacitiv. În fig.4a, se prezintă schema redresorului monoalternanţă cu filtru capacitiv (un condensator de capacitate mare conectat în paralel cu sarcina). În fig. 4 b,c,d, se prezintă diagramele de funcţionare. Condensatorul schimbă regimul de funcţionare al diodei. Aceasta va conduce în intervalul θ 1 θ 2, când dioda este polarizată direct. Atâta timp cât dioda conduce, curentul care o străbate este egal cu suma dintre curentul de încărcare al condensatorului şi curentul prin sarcină. Pe timpul cât dioda este blocată condensatorul asigură curentul prin sarcină, cu alte cuvinte acesta se descarcă prin rezistenţa de sarcină. Acest timp este egal cu T (θ 2 θ 1 ) pe durata unei perioade (T) a tensiunii de reţea. Fig. 4 a- redresor monoalternanţă cu filtru capacitiv; b- curba reală a tensiunii de ieşire; c- curbele reale ale curenţilor i D ; i C ; i ; d- curba idealizată a tensiunii de ieşire. Pentru determinarea valorii medii med şi a factorului de pulsaţie γ se presupune că în intervalul de timp cât dioda este blocată tensiunea 53
FLOIN MIHAI TFEC ELECTONICĂ FIZICĂ LCĂI PACTICE variază liniar în timp şi creşte brusc când tensiunea din secundar devine maximă. În această situaţie tensiunea medie pe sarcină va fi: med r 2 (13) unde r este amplitudinea variaţiei tensiunii pe sarcină, care se numeşte tensiune de riplu, ea fiind dată de: r (14) ΔQ reprezentând variaţia sarcinii condensatorului în intervalul [π/2-5π/2]. Deoarece tensiunea pe sarcină variază liniar în intervalul cât dioda nu conduce cu amplitudinea r med curentul debitat de condensator se poate considera constant şi egal cu I med. În această situaţie tensiunea medie pe sarcină devine: ΔQ Imed T Imed C C fc med 1 1 2f C (15) Dacă se ia în consideraţie căderea de tensiune pe diodă şi se aproximează că aceasta are o valoare constantă D atunci tensiunea medie pe sarcină devine: DO 1 (16) 1 2f C Fenomenele sunt asemănătoare şi în cazul redresorului bialternanţă cu filtru capacitiv. Diferenţele ce apar au drept cauză faptul că pulsaţia tensiunii pulsatorii obţinute în cazul redresării bialternanţă este dublă şi prin urmare timpul de descărcare al condensatorului pe rezistenţa de sarcină este mai scurt. Pe timpul unei perioade a tensiunii de reţea condensatorul se încarcă de două ori. De 54
LCAEA N.4 Circuite de redresare şi filtrare, funcţionare şi performanţe asemenea căderea de tensiune pe diode este 2 D0 deoarece în serie cu sarcina există două diode. În tabelul 2 se dau parametrii reprezentativi pentru redresoarele monoalternanţă şi bialternanţă prevăzute cu filtru capacitiv. Tabelul 2 Parametrii reprezentativi pentru redresoarele monoalternanţă şi bialternanţă. Tipul redresorului Monoalternanţa Bialternanţă cu priză Bialternanţă în punte Puterea tipică a transformatorului 1,73P 1,48P 1,24P Tensiune în secundar 0,95 0,9 0,9 Tensiune inversă pe diodă 2,4 2,25 1,13 Curentul mediu prin diodă 1,0I 0,51I 0,51I Curentul în secundarul transf. 2,1I 1,1I 1,57I Valoarea condensatorului (mf)* 5Is/ r 2Is/ r 2Is/I r Tensiunea maximă pe condensator 1,4 1,41 1,41 Curentul max. la pornire (C in mf) 0,7C 0,7C 0,7C Frecvenţa riplului 50Hz 100Hz 100Hz * r reprezintă amplitudinea maximă a riplului adică a tensiunii alternative pe sarcină. 5. Partea experimentală 1. e realizează schemele din fig.2 şi fig.3; pe planşeta de lucru va fi realizat circuitul conform fig.5. e studiază cu ajutorul osciloscopului forma tensiunilor la ieşirea transformatorului de reţea şi forma tensiunii pe sarcină. 2. e conectează pe rând condensatoare de diferite valori în paralel cu ; se studiază cu ajutorul osciloscopului forma tensiunilor la ieşirea transformatorului şi pe sarcină care se compară cu cele din cazul precedent. e analizează forma tensiunii de riplu r. 55
FLOIN MIHAI TFEC ELECTONICĂ FIZICĂ LCĂI PACTICE Fig.5 Montaj experimental pentru studiul proceselor de redresare şi filtrare. 3. e trasează caracteristicile med = med (I med ) şi r = r (I med ) pentru patru situaţii: - redresare monoalternanţă: capacitate de filtrare - 470μF - 2200 μf - redresare bialternanţă: capacitate de filtrare - 470 μf - 2200 μf Curentul prin rezistorul de sarcină (preferabil cutie cu rezistenţe) va fi modificat în limitele 0 100mA. 4. e vor calcula valorile tensiunii de riplu r pentru câteva valori ale I med şi se vor compara cu valorile măsurate în acele puncte. Note: rezistenţa de sarcină trebuie aleasă mai mare decât o valoare limită determinată de curentul maxim prin diode: > s /I dmax. Atenţie la puterea maximă suportată de rezistorul de sarcină; tensiunea inversă maximă a diodei se alege de cca. 3 ori mai mare decât tensiunea efectivă în secundarul transformatorului; căderea de tensiune pe o diodă cu siliciu se va considera D0 =0,6V. 56