מפסקים חד פאזיים
מקור: עלי באזי, המחלקה להנדסת חשמל, אוניברסיטת קונטיקט, סטורים, CT.
ספק כוח DC נחשב בדרך כלל להתקן המספק DC, או חד-כיווני, מתח וזרם. סוללות הן ספק כוח…
שימו לב: במהלך ניסוי זה, אין לגעת בשום חלק של המעגל בזמן אנרגיה. מקור ה- AC מקורקע רק כפי שמוצג ב- Fig. 1 ו - 2 כאשר מחולל הפונקציה הוא מקור. אל תקרקע את ה-VARIAC.
1. הגדרת מקור AC
עבור ניסוי זה, שני מקורות AC משמשים; שנאי משתנה (VARIAC) בתדר נמוך של 60 הרץ ומחולל פונקציות עם פלט שיא סינוסואידי של 10 V ותדר 1 קילו-הרץ.
- לפני שתתחיל, חבר את הבדיקה הדיפרנציאלית לערוץ טווח אחד, ובדיקה רגילה לערוץ השני.
- התאם את הכפתורים על הבדיקות כדלקמן: בדיקה דיפרנציאלית ב 20X (או 1/20) ואת הבדיקה הרגילה ב 10X. אל תשכח להפעיל את הבדיקה הדיפרנציאלית.
- בתפריט של כל ערוץ בטווח, הגדר את הגשוש להיות ב 10X. עבור הבדיקה הדיפרנציאלית, הכפל באופן ידני את כל המדידות או התוצאות בשתיים כדי להגיע לפי 20 הרצוי.
- כדי להגדיר את מחולל הפונקציות, ודא ש- 50 Ω OUTPUT מחובר לכבל BNC לתנין.
- חבר את קליפי התנין לבדיקת טווח רגילה כדי לצפות בפלט מחולל הפונקציה.
- הגדר את הפלט להיות סינוסואיד בשיא 10 V ותדר 1 kHz עם אפס היסט DC.
- התבונן בפלט מחולל הפונקציות והתאם את ההגדרות שלו כדי להשיג את צורת גל הפלט הרצויה.
- לאחר הגדרת האות, נתק את מחבר BNC אך השאר את מחולל הפונקציות פועל כדי לשמור על ההגדרות שלו. נתק את בדיקת הטווח מיפוץ הגנרטור.
- כדי להגדיר את ה-VARIAC, ודא שפלט VARIAC (נראה כמו כלי קיבול רגיל) אינו מחובר לכבל כלשהו.
- שמור את VARIAC כבוי ולוודא הידית שלה מוגדרת לאפס.
- כוונן לאט את ידית VARIAC ל-5% פלט. זה אמור להניב סביב מתח שיא 10V.
מאמת חצי גל
2. עומס התנגדותי עם קלט בתדר גבוה
- השתמש במחולל הפונקציה כמקור AC אך שמור אותו מנותק מהמעגל לעת עתה.
- על לוח הפרוטו, לבנות את המעגל המוצג ב Fig.1. הדיודה(D)היא 2A01G-T המדורגת עבור 50 V ו-2 A בעוד נגד העומס(R)הוא 51 Ω.
- ודאו שהקוטביות של הדיודה נכונה. המקף על הדיודה נמצא בקתודה.
- לפני חיבור הגשושית הדיפרנציאלית למעגל, קשרו את מסופי הגשושית והתאמו את צורת הגל הנמדדת שלה על המסך כדי להציג מתח היסט אפסי.
- חבר את גשושית המתח הדיפרנציאלית על פני נגד העומס כדי לצפות במתח היציאה Vהחוצה.
- חבר בדיקה רגילה על פני צד AC כדי לצפות במתח הכניסה Vב.
- חבר את מחולל הפונקציה למעגל.
- התאם את בסיס הזמן בטווח כדי להציג Vב ו- Vהחוצה עבור עד ארבעה מחזורים בסיסיים של Vב-. הפוך עותק של צורות הגל.
- התקרב לאזור ההפעלה של הדיודה וצור עותק של צורות הגל.
- נתק את מחולל הפונקציות והסר את הבדיקה הדיפרנציאלית לשינויי עומס. שמור את שאר המעגל והחיבורים כפי שהם.
איור 1: ממתק חצי גל עם עומס התנגדותי
3. עומס התנגדותי-אינדוקטיבי עם קלט בתדר גבוה
- באמצעות אותו מעגל ב - Fig. 1, חבר משרן 4.7 מ " ה (L) בסדרה עם העומס ההתנגדותי כפי שמוצג ב איור 2.
- חבר את גשושית המתח הדיפרנציאלית על פני נגד העומס כדי לצפות במתח הנגד Vהחוצהאשר יש לו את אותה צורת צורת גל כמו זרם עומס R-L אניהחוצה.
- הפעל את פלט מחולל הפונקציות.
- התאם את בסיס הזמן בטווח כדי להציג Vב ו- Vהחוצה עבור עד ארבעה מחזורים בסיסיים של Vב-. הפוך עותק של צורות הגל.
- התקרב לאזור ההפעלה של הדיודה ובחן את ההשהיה בזמן ההפעלה. הפוך עותק של צורות הגל.
- כבה את פלט מחולל הפונקציות וניתק אותו מהמעגל.
- הסר את המשרן L ולשמור את שאר המעגל כפי שהוא.
איור 2: מקטן חצי גל עם עומס R-L
4. עומס התנגדותי עם קלט בתדר נמוך
- ודא שפלט ה-VARIAC הוא ב- 5% ומנותק מהמעגל. חבר את הבדיקה הדיפרנציאלית על פני VARIAC, הפעל את VARIAC והתאם מעט את הפלט שלו כדי להשיג שיא V 10.
- לכוד את צורת הגל על הטווח לשימוש כהתבוננות מתח הכניסה שלך.
- כבה את ה-VARIAC אך אל תשנה את הגדרת המתח שלו.
- באמצעות אותו מעגל מ- Fig. 1, כלומר עם המשרן מנותק והנגד הוא העומס היחיד, חבר את פלט VARIAC באמצעות כבל התקע בננה.
- חבר את גשושית המתח הדיפרנציאלית על פני נגד העומס כדי לצפות במתח היציאה, Vהחוצה.
- הפעל את פלט VARIAC. התרחק מהמעגל ושים לב לצורות הגל על הטווח. אם אתה צריך לאתר באגים במעגל שלך, תנתק את ה-VARIAC תחילה.
- התאם את בסיס הזמן בטווח כדי להציג את Vהחוצה עבור עד ארבעה מחזורים בסיסיים. הפוך עותק של צורת הגל.
- התקרב לאזור ההפעלה של הדיודה וצור עותק של צורות הגל.
- כבה את ה-VARIAC ופרק את המעגל. אל תשנה את הגדרת המתח VARIAC.
מאמת גלים מלאים
5. עומס התנגדותי
- על לוח הפרוטו, בנה את המעגל המוצג בתאנה 3.
- ודאו שהקוטביות של הדיודה נכונה. המקף על הדיודה נמצא בקתודה.
- לאחר שהמעגל מוכן, חבר את פלט VARIAC כמקור AC.
- חבר את גשושית המתח הדיפרנציאלית על פני נגד העומס כדי לצפות במתח היציאה Vהחוצה.
- הפעל את פלט VARIAC. התרחק מהמעגל ושים לב לצורות הגל על הטווח. אם אתה צריך לאתר באגים במעגל שלך, תנתק את ה-VARIAC תחילה.
- התאם את בסיס הזמן בטווח כדי להציג את V החוצה עבור עד ארבעה מחזורים בסיסיים של Vב-. הפוך עותק של צורות הגל.
- מדוד את ערך השיא-לשיא של Vהחוצה באמצעות הסמנים.
- שמור את חיבורי הבדיקה כפי שהם וכבה את ה- VARIAC ופרק את המעגל שלך.
- אל תשנה את הגדרת המתח VARIAC.
איור 3. ממתק גל מלא עם עומס התנגדותי.
6. עומס התנגדותי עם קבל סינון
- באמצעות אותו מעגל בתאנה 3, חבר קבל אלקטרוליטי (C) במקביל לעומס ההתנגדותי כפי שמוצג ב - Fig. 4.
- ודא שהקוטביות של הקבלים נכונה עם המסוף המחובר לצד השלילי של העומס.
- הפעל את פלט VARIAC. התרחק מהמעגל ושים לב לצורות הגל על הטווח. לפני איתור הבאגים במעגל, כבה את ה-VARIAC.
- התאם את בסיס הזמן בטווח כדי להציג את Vהחוצה עבור עד ארבעה מחזורים בסיסיים של VIN. הפוך עותק של צורות הגל.
- מדוד את ערך השיא-לשיא של Vהחוצה באמצעות הסמנים ואפשרות צימוד AC עבור ערוץ זה (צימוד AC מבטל את היסט DC של אות).
- תחזיר את זה לצימוד DC ברגע שהמדידה תיעשה.
- כבה את ה-VARIAC.
- לפרק את המעגל ולנקות את הספסל.
איור 4. ממתק גלים מלאים עם עומס התנגדותי וסינון קיבולי
מיישרים חד פאזיים משמשים להמרת מתח וזרם אספקת AC ל- DC, כנדרש להפעלת ציוד ומכשירים אלקטרוניים דיגיטליים. חשמל סטנדרטי המסופק לבתים ולמסחר הוא AC. עם זאת, רוב האלקטרוניקה הדיגיטלית מתוכננת לפעול על מתח DC. מיישרים הם מכשירים שניתן להשתמש בהם כדי להפוך חשמל AC לאספקת DC תואמת. מיישר מעביר זרם בכיוון אחד בלבד, ובכך הופך כניסת AC דו קוטבית לפלט מתוקן חד קוטבי. מעגלי מיישר משתמשים בדיודה אחת או יותר כדי להעביר מתח AC חיובי או שלילי בלבד, וכתוצאה מכך מקור פועם, אשר לאחר מכן מסונן כדי להשיג מתח וזרם DC חלקים ועקביים. סרטון זה מציג מושגים בסיסיים של מעגלי מיישר ודיודה, מדגים מספר מעגלי מיישר נפוצים ובודק את יציאת המתח של מעגלי מיישר עם וריאציות בתצורת כניסת המתח והטעינה.
מיישרים הם מכשירים המשמשים במעגלים אלקטרוניים להעברת זרם בכיוון אחד ולחסום אותו בכיוון השני. מיישרים מאפשרים מעבר זרם רק כאשר עוברים מתח סף קדימה. למיישרי דיודה יש שני מסופים, האנודה והקתודה, כאשר הזרם זורם מאנודה לקתודה ונחסם מקתודה לאנודה. מיישרי חצי גל חד פאזיים מעבירים מתח על פני דיודה אחת. במעגל זה, רק המחצית החיובית של מתח הכניסה AC משדרת ליציאה על פני נגד העומס. אם הדיודה הייתה הפוכה, רק החצי השלילי של מתח הכניסה AC היה מופיע על פני הנגד. מתח למחצית השלילית של מחזור ה-AC חסום. עם קוטביות אחת בלבד, ה-RMS, או שורש ממוצע בריבוע, מתח המוצא מופחת בהשוואה לזה של מתח הכניסה הדו-קוטבי. מיישרי גל מלא מעבירים את שני חצאי המחזורים של מתח הכניסה AC על פני מעגל גשר ארבע דיודות, כפי שמוצג. היפוך הקוטביות של החצי השלילי ומניב מתח מוצא ממוצע גבוה יותר על פני נגד העומס. מיישרים מביאים לזרם חד כיווני, אך פועם עם האפקט הבולט יותר במיישרים של חצי גל. עם זאת, היציאה של המיישר מסוננת בדרך כלל על ידי הוספת משרן בטור עם התנגדות העומס. במיישר הגל המלא, קבל המורכב במקביל לנגד העומס משרת את אותה מטרה. סרטון זה ממחיש את פעולת מיישר חד-פאזי חצי-גל וגל מלא עם עומסי יציאה שונים, מאפייני כיבוי דיודות וסינון מתח המוצא DC באמצעות מעגלים שונים.
לצורך הדגמה זו של פעולת מיישר, נעשה שימוש בשני מקורות AC שונים, תדר גבוה, כניסת קילו-הרץ אחת, מיוצר באמצעות מחולל פונקציות עם פלט סינוסואידלי שיא של 10 וולט. כניסת 60 הרץ בתדר נמוך מסופקת על ידי וריאק. אל תיגע באף חלק במעגל בזמן שהוא מופעל. בעת שימוש במקור מחולל הפונקציות, המעגלים מקורקעים כפי שמוצג. אין לקרקע את אספקת ה-variac. כדי להגדיר את מחולל הפונקציות לפלט בתדר גבוה, חבר את הגשושית הדיפרנציאלית לערוץ אוסצילוסקופ אחד ובדיקה פי 10 לערוץ שני. התאם את גורמי קנה המידה ל-20x בבדיקה הדיפרנציאלית ו-10x בבדיקה 10x. בתפריטי ערוץ ההיקף, הגדר את שני הבדיקות ל-10x. עבור הגשושית הדיפרנציאלית, הכפל ידנית את המדידות בשניים כדי להגיע לתפוקה הרצויה פי 20. לאחר מכן, חבר כבל BNC לתנין לפלט 50 אוהם של מחולל הפונקציות וחבר את תפסי התנין לבדיקת ההיקף פי 10. הגדר את היציאה לצורת שיא של 10 וולט ו-1,000 הרץ גל סינוסואידלי עם אפס היסט DC. לאחר הגדרת האות בהתאם, נתק את מחבר ה-bnc ואת בדיקת ההיקף, אך השאר את מחולל הפונקציות דולק כדי לשמור על הגדרותיו. כדי להגדיר את ה-variac לפלט בתדר נמוך, ודא ששקע הפלט מנותק, ושהוא כבוי כשהכפתור שלו מוגדר לאפס. לאחר מכן, כוונן לאט את כפתור ה-variac לחמישה אחוזי תפוקה כדי להשיג שיא של 10 וולט.
ראשית, בדוק את מיישר חצי הגל עם מתח כניסה בתדר גבוה ועומס התנגדות. בנה את המעגל כפי שמוצג, תוך שימוש בנגד עומס של 51 אוהם ודיודה מדורגת עבור 50 וולט ושני אמפר. קוטביות הדיודה מסומנת בסמל מקף בקצה הקתודה. לפני חיבור הגשושית הדיפרנציאלית למעגל, חבר את מסופי הגשושית יחד והתאם את צורת הגל לאפס מתח היסט. לאחר מכן, חבר את בדיקת המתח ההפרש על פני נגד העומס כדי להתבונן במתח המוצא ובבדיקה פי 10 על פני צד ה-AC כדי לצפות במתח הכניסה. לאחר מכן, התאם את בסיס הזמן בהיקף כדי להציג מתח כניסה ויציאה עבור ארבעה מחזורים של מתח כניסה. נתק את מחולל הפונקציות והסר את הגשושית הדיפרנציאלית מהמעגל לפני ביצוע שינויים כלשהם. לאחר מכן, בדוק את מיישר חצי הגל עם קלט בתדר גבוה ועומס אינדוקטיבי התנגדות. עשה שימוש חוזר במעגל, הוסף משרן בסדרה עם הנגד, כפי שמוצג. כפי שתואר קודם לכן, חבר בדיקות למעגל והצג צורות גל של מתח כניסה ויציאה. כבה את מחולל הפונקציות, נתק את הגשושית הדיפרנציאלית והסר את המשרן מהמעגל. לבסוף, בדוק את מיישר חצי הגל עם כניסת תדר נמוך ועומס התנגדות. חבר את הגשושית הדיפרנציאלית על פני ה-variac והפעל אותה. כוונן את ה-variac כדי להשיג פלט שיא של 10 וולט, ולאחר מכן כבה את ה-variac מבלי לשנות את הגדרת המתח שלו. חבר את פלט ה-variac למעגל ההתנגדות, כפי שמוצג. לאחר מכן, חבר את בדיקת המתח ההפרש על פני נגד העומס כדי להתבונן במתח המוצא. הפעל את הווריאק. אל תיגע במעגל כשמתח ה-variac מחובר ומופעל. כפי שתואר קודם לכן, צורות גל תצוגה של מתח כניסה ויציאה.
ראשית, בדוק את מיישר הגל המלא עם עומס התנגדות. בנה את המעגל כפי שמוצג, וחבר את הבדיקות ואת פלט ה-variac למעגל. כפי שתואר קודם לכן, הצג צורות גל של מתח כניסה ויציאה ומדוד את מתחי השיא לשיא. תוך שמירה על חיבורי הבדיקה, כבה את ה-variac וחבר קבל אלקטרוליטי במקביל לעומס ההתנגדות. לאחר מכן שים לב למתח הכניסה והיציאה.
האיור הראשון מציג ארבעה מחזורים של מתח אספקת AC ואת היציאה מעומס התנגדות המחובר למיישר חצי גל. רק חצי המחזור החיובי של מתח AC הכניסה עובר על פני מיישר הדיודה. אם מתח הכניסה של מעגל מיישר חצי הגל הוא סינוסואידי, אז פלט המתח הממוצע עבור דיודה בודדת עם עומס התנגדות הוא מתח שיא הכניסה חלקי pi. כאשר מוסיפים משרן בסדרה עם נגד העומס, אזור כיבוי הדיודה מתעכב. שילוב זה של משרן ונגד הוא מסנן מעביר נמוך. כאשר ערך המשרן גדול מספיק, רכיב התנודה של היציאה נחסם, ומשאיר רק את רכיב ה-DC הקבוע. עבור מיישר גשר מלא, חצי מחזורי הכניסה החיוביים עוברים דרך המעגל וחצי המחזורים השליליים מתוקנים לחיוביים. הוספת קבל גדול מספיק מסננת את רוב אדוות המתח, ומספקת לעומס מתח DC עקבי.
מיישרי דיודות נמצאים ברוב ספקי-הכוח, המטענים, דוחפי התדר המשתנה ובמעגלי הגנה רבים. ראשית, מתאמי מתח AC משמשים להמרת חשמל למכונות המסופקות DC או לטעינת סוללות DC הכלולות במכשירים. המתאם יכול להיות פשוט כמו מעגל המורכב משנאי להורדת המתח מאספקת הקיר של 120 וולט, מיישר גל מלא גשר ארבע דיודות וקבל להחלקת מתח היציאה DC. תיריסטורים הם מיישרים מבוקרי סיליקון הנפוצים בשימוש בדימרים קלים, בקרי מהירות מנוע ומווסתי מתח. לפי התכנון, התיריסטור מיועד לשכבות מתחלפות של מוליכים למחצה מסוג P ו-N המשמשים ליצירת אנודה בקצה מסוג P, קתודה בקצה מסוג N וקפיצת שער המחוברת לשכבה מסוג P ליד הקתודה. מעל סף נעילה, דופק זרם לתוך השער מעביר את התיריסטור ממצב כבוי למצב מופעל, ומאפשר זרימת זרם קדימה מאנודה לקתודה. זה מתקן את זרימת הזרם בכיוון אחד ומווסת את הספק היציאה עם מנגנון מיתוג משולב.
זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE למיישרים חד פאזיים. כעת עליך להבין כיצד פועלים מיישרים חד פאזיים, מעגלי מיישר נפוצים והפלט שלהם, וכמה יישומי מיישרים נפוצים. תודה שצפית.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: Why do single-phase rectifiers convert AC to DC?
Single-phase rectifiers transform AC supply voltage and current to DC because most digital electronics are designed to run on DC power, while standard mains power supplied to homes and commerce is AC. Rectifiers pass current in only one direction, converting bipolar AC input to unipolar rectified output that can be filtered into smooth, consistent DC voltage and current.
Q2: How does a half-wave rectifier differ from a full-wave rectifier?
A half-wave rectifier uses a single diode to pass only the positive half-cycle of AC input voltage to the output, resulting in reduced RMS output voltage. A full-wave rectifier uses a four-diode bridge circuit to pass both half-cycles of AC input, flipping the polarity of the negative half and yielding a higher average output voltage across the load resistor.
Q3: What role do diodes play in rectifier circuits?
Diodes are the core components of rectifier circuits, with two terminals—anode and cathode—that allow current to flow from anode to cathode while blocking reverse current. Rectifier circuits use one or more diodes to pass only positive or negative AC power, transforming bipolar AC into unipolar output that can be filtered to achieve smooth DC voltage and current.
Q4: How does filtering improve rectifier output?
Rectifiers produce pulsating DC output with voltage ripple. Filtering removes this ripple using inductors or capacitors. In half-wave rectifiers, an inductor in series with the load acts as a low-pass filter. In full-wave rectifiers, a capacitor in parallel with the load smooths the output. A sufficiently large capacitor filters out most voltage ripple, providing consistent DC voltage to the load.
Q5: What happens when you add an inductive load to a half-wave rectifier?
Adding an inductor in series with the load resistor delays the diode turn-off region and creates a low-pass filter effect. When the inductor value is sufficiently large, the oscillatory component of the output is blocked, leaving only the constant DC component. This combination smooths the pulsating output more effectively than a resistive load alone.
Q6: What are common applications of diode rectifiers?
Diode rectifiers are found in most power supplies, chargers, variable frequency drives, and protection circuits. AC power adapters use a transformer to step down voltage, a four-diode bridge full-wave rectifier, and a capacitor to smooth DC output. Thyristors, silicon-controlled rectifiers, are used in light dimmers, motor speed controllers, and voltage regulators for regulated power control.
Q7: How do thyristors differ from standard diode rectifiers?
Thyristors are silicon-controlled rectifiers with alternating P and N type semiconductor layers, including a gate terminal connected to control switching. Above a latching threshold, a current pulse into the gate switches the thyristor from off to on, allowing forward current flow. This design enables rectification in one direction while providing integrated switching and power regulation capabilities.