Electronică Analogică Redresoare
Cuprins 1. Redresoare 2. Invertoare 3. Circuite de alimentare în comutaţie 4. Stabilizatoare electronice de tensiune 5. Amplificatoare 6. Oscilatoare electronice
Introducere Redresoarele sunt circuite electronice destinate transformării curentului alternativ în curent continuu. Acest tip de circuite sunt convertoare energetice deoarece ele acţionează atât asupra tensiunii cât şi asupra curentului alternativ. Clasificare după: nr de alternanţe: - mono şi dublă-alternanţă; nr fazelor: mono şi poli-fazate; Caracterul sarcinii: cu sarcină rezistivă, inductivă sau capacitivă; Tipul dispozitivelor utilizate: comandate, necomandate; Nivelul tensiunii redresate: joasă, medie şi înaltă tensiune; Puterea medie redresată: joasă, medie şi putere mare; Frecvenţa semnalului redresat: joasă (<100Hz) şi înaltă frecvenţă
I. Redresoare monofazate 1.1. Redresor mono-alternanţă cu sarcină rezistivă Schema electrică echivalentă r d 0 şi U D = 0,6 1,5V
Tensiunea inversă maximă: U i max V RWM (din catalog) Valorile medii a tensiunii şi curentului: I Smed I 0 din catalog Valorile efective: Putem calcula randamentul conversiei ca fiind raportul între puterea de curent continuu şi cea de curent alternativ care circulă în secundarul transformatorului: Factorul de ondulaţie:
Analiza în armonici a tensiunii pe sarcină se face cu analiza Fourier a tensiunii. Prin natura lor redresoarele contribuie la deformarea semnalului sinusoidal şi poluează reţeaua de alimentare cu armonici. Această poluare are de cele mai multe ori efecte negative care trebuie limitate cât mai mult. Valorile calculate pentru primele opt armonici sunt prezentate în tabelul 1. Pentru calculul curentului în primarul transformatorului trebuie ţinut cont de faptul că fluxul rezultant în circuitul magnetic al transformatorului este compus dintr-o componentă alternativă corespunzătoare curentului is din secundar (1.4) şi ocomponentă continuă dată de valoarea medie a curentului prin sarcină I smed ; Expresia curentului în primar este: n = raportul de transformare; i µ = curentul de mers în gol. Pt U D şi i u neglijabile ->
Puterea de curent continuu sau puterea utilă este: Puterea aparentă în secundar este: Puterea aparentă în primar, dacă se neglijează curentul de mers în gol, are valoarea: Media aritmetică a acestor puteri dă puterea de calcul sau puterea de gabarit a transformatorului: În cazul unor valori mari ale curentului de mers în gol, puterea de calcul poate ajunge la valoarea PT = 4PS med. În funcţie de această valoare a puterii se calculează secţiunea miezului transformatorului.
1.2. Redresor mono-alternanţă cu sarcină inductivă Pt sarcini cu caracter inductiv, Us are atât valori + (AB) cât şi valori (CD), la apariţia alternanţei pozitive a tensiunii secundare u2, dioda redresoare se deschide şi prin circuit apare un curent care determină înmagazinarea unei anumite cantităţi de energie în câmpul magnetic al inductanţei. La trecerea tensiunii secundare de la valoarea pozitivă spre cea negativă, dioda redresoare ar trebui să se blocheze. Datorită fenomenului de autoinducţie, la tendinţa de blocare a diodei, polaritatea tensiunii pe inductanţă se schimbă împiedicând blocarea diodei. Din acest moment (punctul B) curentul prin circuit se menţine datorită energiei stocate în câmpul magnetic al inductanţei; timpul cât durează acest fenomen fiind proporţional cu valoarea inductanţei. Din studiul formei curentului prin sarcină (Is) se vede că acesta păstrează acelaşi sens prin sarcină pe toată durata de conducţie a diodei redresoare DR. Pe durata alternanţei pozitive a tensiunii secundare inductanţa înmagazinează o anumită cantitate de energie în câmpul magnetic, energie pe care o absoarbe de la reţea. Pe porţiunea negativă a tensiunii secundare, cât timp conduce dioda redresoare, inductanţa cedează energia înmagazinată înapoi reţelei. Pentru a putea calcula mărimile caracteristice ale redresorului trebuie estimată durata de conducţie a diodei.
- Tensiunea în secundar: -Ecuaţia tensiunilor: Legea 2 a lui Kirchhoff: Reprezentarea vectorială a tensiunii în secundar La comutarea diodei redresoare DR apare un regim tranzitoriu care durează un timp, până când circuitul intră în starea staţionară. Din acest motiv, vom calcula curentul de regim tranzitoriu prin sarcină, curent care are o componentă de regim forţat şi o componentă de regim liber: unde i Sl este componenta de regim liber iar i Sp componenta de regim forţat.
La momentul iniţial: t = 0, i s = 0 => Din cauză că originea tensiunii s-a considerat în punctul A rezultă că putem calcula unghiul de conducţie λ al diodei redresoare din condiţia i S (λ/ω)=0. Rezultă ecuaţia: cu ajutorul căreia putem determina unghiul de conducţie λ al diodei redresoare DR - dacă valoarea inductanţei depăşeşte o anumită valoare, unghiul de conducţie al diodei va depăşi 360o, ceea ce înseamnă că dioda nu se va mai bloca niciodată. Dependenţa unghiului de conducţie al diodei de valoarea inductanţei sarcinii
În cazul sarcinii inductive, curentul în circuitul secundar va avea pulsuri mai mici ceea ce are un efect favorabil asupra sarcinii. Putem spune atunci că inductanţa, dacă are o valoare suficient de mare, are proprietăţi de filtrare a curentului sarcinii eliminând o parte din armonicile semnalului. De asemenea prezenţa unei inductanţe în circuitul de redresare permite înlăturarea perturbaţiilor electromagnetice care pot pătrunde în circuitele electronice prin alimentare. Principalele dezavantaje ale utilizării inductanţelor ca elemente de filtrare în circuitele redresoare sunt: gabarit relativ mare, preţ de cost mare şi pierderi suplimentare pe rezistenţa înfăşurărilor inductanţei. În continuare vom prezenta succint modul de calcul al principalilor parametri ai redresorului monofazat, monoalternanţă, cu sarcină inductivă Dacă considerăm originea în punctul A, tensiunea pe sarcină este descrisă de relaţia:
Valoarea tensiunii medii redresate, pe sarcină, va fi dată de relaţia: Valoarea medie a curentului prin sarcină: Valoarea efectiva a tensiunii pe sarcină este: iar valoarea efectiva a curentului:
1.3. Redresor monofazat, monoalternanţă, cu sarcină inductivă şi diodă paralel I1 = valoarea curentului în punctul O I2 = valoarea curentului în punctul A 1. Tensiunea în primarul transformatorului 2. Curentul în primarul transformatorului 3. Tensiunea în secundarul transformatorului 4. Tensiunea pe sarcină 5. Curentul prin sarcină 6. Căderea de tensiune pe dioda redresoare
Dioda paralel DP trebuie să suporte un curent egal cu dioda DR fiind practic identică cu aceasta, ceea ce poate determină creşterea costului redresorului. Pentru determinarea curentului care circulă prin sarcină vom face calculele pentru regimul permanent, luând în considerare cele două situaţii: când dioda redresoare DR conduce şi dioda paralel DP este blocată când dioda redresoare DR este blocată iar dioda paralel DP conduce. Pe porţiunea OA, când conduce dioda DR, curentul prin sarcină este dat de relaţia: Pentru determinarea valorii iniţiale a curentului de regim liber punem condiţia is(0) = I1. Rezultă:
Pe porţiunea AB, când dioda DR este blocată, expresia curentului prin sarcină este dată de relaţia : în care punem condiţia i S1(0) = I 2. Putem scrie deci: Din figură rezultă următoarele condiţii: De unde se obţine expresia curentului I2, şi a curentului I1: Cu ajutorul relaţiilor pt I1 şi I2 se poate determina valoarea inductanţei LS pentru un anumit nivel impus al pulsaţiilor curentului prin sarcină. De asemenea cuajutorul relaţiilor i1(t) şi i2(t) după înlocuirea în acestea a valorilor I1 şi I2, putem calcula valoarea medie şi valoarea efectivă a curentului sarcinii.
1.4. Redresor monoalternanţă, cu sarcină capacitivă Funcţionare: în alternanţa pozitivă a tensiunii secundare u2, când dioda DR se deschide, în câmpul electric al capacităţii C S este înmagazinată o anumită cantitate de energie care este cedată apoi rezistenţei RS în alternanţa negativă a tensiunii u2 când dioda redresoare DR este blocată. 1. Tensiunea în primarul transformatorului 2. Curentul în primarul transformatorului 3. Tensiunea în secundarul transformatorului 4. Tensiunea pe sarcină 5. Curentul prin sarcină 6 6. Curentul prin dioda redresoare 7. Căderea de tensiune pe dioda redresoare
În regim permanent, din cauză că în alternanţa anterioară condensatorul s-a încărcat, dioda nu va conduce decât pe o porţiune a alternanţei pozitive, atât timp cât valoarea tensiunii secundare u2 este mai mare decât tensiunea pe sarcină Us (pe durata λ/ω). Acest lucru determină apariţia unui puls de curent de amplitudine mare şi de scurtă durată prin diodă (curba 6 din figură). Putem spune că adăugarea unei capacităţi la sarcina rezistivă duce la o filtrare a tensiunii şi curentului prin sarcină (trebuie însă menţionat aici că la redresorul monofazat, monoalternanţă, cu sarcină inductivă, efectul de filtrare se aplică numai curentului prin sarcină). Pentru determinarea mărimilor ce caracterizează acest tip de redresor trebuie calculată mai întâi valoarea unghiului λ de conducţie a diodei redresoare DR. Curentul prin sarcină, atunci când dioda redresoare conduce este format din două componente: - curentul prin rezistenţa de sarcină dat de relaţia: - curentul prin condensatorul sarcinii: Curentul total prin dioda redresoare fiind dat de relaţia: Defazajul ϕ dintre tensiune şi curent, este:
Redresor monoalternanţă cu sarcină RC - Redresor multiplicator de tensiune Două redresoare monofazate, monoalternanţă conectate în paralel. primul redresor este realizat cu ajutorul diodei D1 care are ca sarcină condensatorul C1 iar al doilea, cu ajutorul diodei D2 care are ca sarcină condensatorul C2. Primul redresor va redresa alternanţa pozitivă a tensiunii secundare u2 iar al doilea redresor va redresa alternanţa negativă a tensiunii. În acest fel fiecare alternanţă a tensiunii u2 va încărca succesiv câte un condensator Rezistenţa de sarcină RS se conectează în paralel pe cele două condensatoare conform iar tensiunea la capetele acesteia va fi egala cu suma tensiunilor pe cele două condensatoare Ţinând cont de polarităţile tensiunilor condensatoarelor C1 şi C2 rezultă că tensiunea maximă pe rezistenţa RS va fi egală cu 2U2max (în situaţia în care valoarea rezistenţei tinde la infinit). Acest lucru justifică şi denumirea redresorului: pentru o tensiune de alimentare alternativă cu valoarea maximă a amplitudinii de U2max, la ieşire se obţine o tensiune continuă de valoare, cel mult, 2U2max. Pentru valori finite ale rezistenţei RS valoarea tensiunii la capetele acesteia scade proporţional, fiind valabile aceleaşi consideraţii prezentate la discutarea redresorului monofazat, monoalternanţă, cu sarcină capacitivă. frecvenţa tensiunii pe sarcină este de două ori mai mare decât frecvenţa tensiunii de alimentare. 1. Tensiunea în primarul transformatorului 2. Tensiunea în secundarul transformatorului 3. Tensiunea pe sarcină
Multiplicatorul de tensiune Schenkel La alternanţa negativă a tensiunii u2 condensatorul C1 se încarcă la tensiunea U2max prin dioda D1. Dioda D2 este blocată şi condensatorul C2 este descărcat. După încărcarea condensatorului, dioda D1 se blochează. La apariţia alternanţei pozitive a tensiunii, dioda D1 rămâne blocată iar pe anodul diodei D2 apare o tensiune egală cu tensiunea secundară u2 a transformatorului adunată cu tensiunea de pe condensatorul C1, Dioda D2 se deschide şi condensatorul C2 se încarcă la o tensiune maximă egală cu 2U2max. Această valoare a tensiunii se aplică rezistenţei de sarcină RS. Trebuie observat faptul că, spre deosebire de circuitul anterior, tensiunea pe condensatorul C2 este dublă faţă de cea de pe condensatorul C1. De asemenea tensiunea inversă maximă pe dioda D2 este dublă faţă de dioda D1. Acest lucru nu se întâlneşte la montajul anterior, unde valorile acestor tensiuni sunt egale pe elementele componente ale multiplicatorului de tensiune. Pentru obţinerea valorilor mai mari de tensiune la ieşire, se pot conecta mai multe astfel de celule Schenkel în cascadă, aşa cum se arată în figura următoare