Einphasen-Gleichrichter

Einphasige Gleichrichter werden verwendet, um AC-Versorgungsspannung und -strom in Gleichstrom umzuwandeln, wie sie für die Stromversorgung von Geräten und digitalen elektronischen Geräten erforderlich sind. Die Standardstromversorgung von Haushalten und Gewerbe ist Wechselstrom. Die meisten digitalen Elektronikgeräte sind jedoch für den Betrieb mit Gleichstrom ausgelegt. Gleichrichter sind Geräte, die verwendet werden können, um Wechselstrom in eine kompatible Gleichstromversorgung umzuwandeln. Ein Gleichrichter leitet Strom nur in eine Richtung und wandelt so den bipolaren AC-Eingang in einen unipolaren gleichgerichteten Ausgang um. Gleichrichterschaltungen verwenden eine oder mehrere Dioden, um nur positiven oder negativen Wechselstrom durchzulassen, was zu einer pulsierenden Quelle führt, die dann gefiltert wird, um eine gleichmäßige, gleichmäßige Gleichspannung und einen gleichmäßigen Gleichstrom zu erzielen. In diesem Video werden grundlegende Konzepte von Gleichrichter- und Diodenschaltungen vorgestellt, mehrere gängige Gleichrichterschaltungen demonstriert und die Ausgangsspannung von Gleichrichterschaltungen mit Variationen in der Spannungseingangs- und Lastkonfiguration getestet.

Gleichrichter sind Geräte, die in elektronischen Schaltkreisen verwendet werden, um Strom in eine Richtung zu leiten und ihn in die andere Richtung zu blockieren. Gleichrichter lassen den Stromdurchgang nur dann zu, wenn eine Schwellendurchlassspannung überschritten wird. Diodengleichrichter haben zwei Anschlüsse, die Anode und die Kathode, wobei der Strom von Anode zu Kathode fließt und von Kathode zu Anode blockiert wird. Einphasige Halbwellengleichrichter leiten die Spannung über eine einzelne Diode weiter. In dieser Schaltung wird nur die positive Hälfte der AC-Eingangsspannung über den Lastwiderstand an den Ausgang übertragen. Wenn die Diode vertauscht würde, würde nur die negative Hälfte der AC-Eingangsspannung über den Widerstand erscheinen. Die Spannung für die negative Hälfte des Wechselstromzyklus ist blockiert. Mit nur einer Polarität wird die RMS-Ausgangsspannung (Root Mean Squared) im Vergleich zu der der bipolaren Eingangsspannung reduziert. Vollwellengleichrichter leiten beide halben Zyklen der AC-Eingangsspannung über eine Brückenschaltung mit vier Dioden durch, wie gezeigt. Dadurch wird die Polarität der negativen Hälfte umgedreht und eine höhere durchschnittliche Ausgangsspannung über den Lastwiderstand erzielt. Gleichrichter führen zu einem unidirektionalen, aber pulsierenden Strom, wobei der Effekt bei Halbwellengleichrichtern deutlicher wird. Der Ausgang des Gleichrichters wird jedoch typischerweise durch die Hinzufügung einer Induktivität in Reihe mit dem Lastwiderstand gefiltert. Im Vollwellengleichrichter dient ein parallel zum Lastwiderstand montierter Kondensator dem gleichen Zweck. Dieses Video veranschaulicht den Betrieb von einphasigen Halb- und Vollwellengleichrichtern mit unterschiedlichen Ausgangslasten, die Abschalteigenschaften der Dioden und die Filterung der DC-Ausgangsspannung unter Verwendung verschiedener Schaltkreise.

Für diese Demonstration des Gleichrichterbetriebs werden zwei verschiedene Wechselstromquellen verwendet, wobei der Hochfrequenzeingang von einem Kilohertz über einen Funktionsgenerator mit einem sinusförmigen Spitzenausgang von 10 Volt erzeugt wird. Der niederfrequente 60-Hertz-Eingang wird von einem Variac versorgt. Berühren Sie keinen Teil des Stromkreises, während Sie unter Spannung stehen. Bei Verwendung der Funktionsgeneratorquelle werden die Stromkreise wie abgebildet geerdet. Erden Sie die Variac-Versorgung nicht. Um den Funktionsgenerator für die Hochfrequenzausgabe einzurichten, schließen Sie den Differenztastkopf an einen Oszilloskopkanal eins und einen 10x-Tastkopf an Kanal zwei an. Stellen Sie die Skalierungsfaktoren auf 20x für die Differenzialsonde und 10x für die 10x-Sonde ein. Stellen Sie in den Menüs des Oszilloskopkanals beide Sonden auf 10x ein. Multiplizieren Sie die Messungen für die Differenzsonde manuell mit zwei, um die gewünschte 20-fache Leistung zu erreichen. Schließen Sie als nächstes ein BNC-auf-Krokodilkabel an den 50-Ohm-Ausgang des Funktionsgenerators an und verbinden Sie die Krokodilklemmen mit der 10x Oszilloskopsonde. Stellen Sie den Ausgang auf eine sinusförmige Wellenform von 10 Volt und 1.000 Hertz mit null DC-Offset ein. Sobald das Signal entsprechend eingestellt ist, trennen Sie den BNC-Stecker und die Oszilloskopsonde, aber lassen Sie den Funktionsgenerator eingeschaltet, um seine Einstellungen beizubehalten. Um den Variac für die Niederfrequenzausgabe einzurichten, stellen Sie sicher, dass die Ausgangsbuchse getrennt und ausgeschaltet ist, während der Drehknopf auf Null gestellt ist. Stellen Sie dann den Variac-Regler langsam auf fünf Prozent Leistung ein, um eine Spitzenleistung von 10 Volt zu erreichen.

Testen Sie zunächst den Halbwellengleichrichter mit einer hochfrequenten Eingangsspannung und einer ohmschen Last. Bauen Sie die Schaltung wie gezeigt mit einem 51-Ohm-Lastwiderstand und einer Diode auf, die für 50 Volt und zwei Ampere ausgelegt ist. Die Polarität der Diode ist mit einem Strichsymbol am Kathodenende gekennzeichnet. Bevor Sie die Differenzsonde an den Stromkreis anschließen, verbinden Sie die Klemmen der Sonde miteinander und stellen Sie die Wellenform auf Null-Offset-Spannung ein. Schließen Sie dann die Differenzspannungssonde über den Lastwiderstand an, um die Ausgangsspannung zu beobachten, und die 10x-Sonde über die AC-Seite, um die Eingangsspannung zu beobachten. Passen Sie als Nächstes die Zeitbasis am Oszilloskop so an, dass die Eingangs- und Ausgangsspannung für vier Zyklen der Eingangsspannung angezeigt wird. Trennen Sie den Funktionsgenerator und entfernen Sie den Differenztastkopf aus dem Stromkreis, bevor Sie Änderungen vornehmen. Als nächstes testen Sie den Halbwellengleichrichter mit Hochfrequenzeingang und einer ohmschen induktiven Last. Verwenden Sie die Schaltung wieder, indem Sie eine Induktivität in Reihe mit dem Widerstand hinzufügen, wie gezeigt. Schließen Sie, wie zuvor beschrieben, Tastköpfe an den Stromkreis an und zeigen Sie die Wellenformen der Eingangs- und Ausgangsspannung an. Schalten Sie den Funktionsgenerator aus, trennen Sie die Differenzsonde und entfernen Sie die Induktivität aus dem Stromkreis. Testen Sie zuletzt den Halbwellengleichrichter mit niederfrequentem Eingang und ohmscher Last. Schließen Sie den Differenzialfühler an den Variac an und schalten Sie ihn ein. Stellen Sie den Variac so ein, dass er eine Spitzenleistung von 10 Volt erhält, und schalten Sie ihn dann aus, ohne die Spannungseinstellung zu ändern. Schließen Sie den Variac-Ausgang wie abgebildet an die Widerstandsschaltung an. Schließen Sie dann die Differenzspannungssonde an den Lastwiderstand an, um die Ausgangsspannung zu beobachten. Schalten Sie den Variac ein. Berühren Sie den Stromkreis nicht, wenn die Variac-Stromversorgung angeschlossen und eingeschaltet ist. Zeigen Sie, wie zuvor beschrieben, Wellenformen der Eingangs- und Ausgangsspannung an.

Testen Sie zunächst den Vollwellengleichrichter mit einer ohmschen Last. Bauen Sie die Schaltung wie gezeigt auf und verbinden Sie die Sonden und den Variac-Ausgang mit der Schaltung. Zeigen Sie, wie zuvor beschrieben, die Wellenformen der Eingangs- und Ausgangsspannung an und messen Sie die Spitze-zu-Spitze-Spannung. Schalten Sie den Variac unter Beibehaltung der Sondenanschlüsse aus und schließen Sie einen Elektrolytkondensator parallel zur ohmschen Last an. Beobachten Sie dann die Eingangs- und Ausgangsspannung.

Die erste Abbildung zeigt vier Zyklen einer AC-Versorgungsspannung und den Ausgang einer ohmschen Last, die an einen Halbwellengleichrichter gekoppelt ist. Nur der positive Halbzyklus der Eingangswechselspannung verläuft über den Diodengleichrichter. Wenn die Eingangsspannung der Halbwellengleichrichterschaltung sinusförmig ist, dann ist die mittlere Ausgangsspannung für eine einzelne Diode mit einer ohmschen Last die Eingangsspitzenspannung dividiert durch Pi. Wenn eine Induktivität in Reihe mit dem Lastwiderstand geschaltet wird, wird der Abschaltbereich der Diode verzögert. Bei dieser Kombination aus Induktivität und Widerstand handelt es sich um ein Tiefpassfilter. Wenn der Wert der Induktivität groß genug ist, wird die oszillatorische Komponente des Ausgangs blockiert, so dass nur die konstante Gleichstromkomponente übrig bleibt. Bei einem Vollbrückengleichrichter durchlaufen die positiven Eingangshalbzyklen die Schaltung und die negativen Halbzyklen werden auf positiv gleichgerichtet. Durch Hinzufügen eines ausreichend großen Kondensators wird der größte Teil der Spannungswelligkeit herausgefiltert und die Last mit einer konstanten Gleichspannung versorgt.

Diodengleichrichter sind in den meisten Netzteilen, Ladegeräten, Frequenzumrichtern und in vielen Schutzschaltungen enthalten. Erstens werden AC-Netzteile verwendet, um Strom für Gleichstrommaschinen umzuwandeln oder die in Geräten enthaltenen Gleichstrombatterien aufzuladen. Der Adapter kann so einfach sein wie eine Schaltung, die aus einem Transformator besteht, um die Spannung von der 120-Volt-Wandversorgung herunterzustufen, einem Vollwellengleichrichter mit vier Dioden und einem Kondensator zur Glättung der DC-Ausgangsspannung. Thyristoren sind silikongesteuerte Gleichrichter, die häufig in Lichtdimmern, Motordrehzahlreglern und Spannungsreglern verwendet werden. Der Thyristor ist konstruktionsbedingt für abwechselnde Schichten von Halbleitern vom Typ P und N vorgesehen, die verwendet werden, um eine Anode am Ende des P-Typs, eine Kathode am Ende des Typs N und einen Gate-Sprung zu erzeugen, der mit der Schicht vom Typ P neben der Kathode verbunden ist. Oberhalb einer Rastschwelle schaltet ein Stromimpuls in das Gate den Thyristor von Aus auf Ein und ermöglicht so den Durchlassstromfluss von der Anode zur Kathode. Dieser gleichrichtet den Stromfluss in eine Richtung und regelt die Ausgangsleistung mit einem integrierten Schaltmechanismus.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in einphasige Gleichrichter gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie einphasige Gleichrichter funktionieren, gängige Gleichrichterschaltungen und deren Ausgang sowie einige gängige Gleichrichteranwendungen. Danke fürs Zuschauen.