Eenfasige gelijkrichters
AANDACHT: Tijdens dit experiment mag u geen onderdeel van het circuit aanraken terwijl het onder spanning staat. De wisselstroombron is alleen geaard zoals weergegeven in Fig. 1 en 2 wanneer de functiegenerator een bron is. AARD DE VARIAC NIET.
1. AC-bron instellen
Voor dit experiment worden twee wisselstroombronnen gebruikt; een variabele transformator (VARIAC) met een lage frequentie van 60 Hz en een functiegenerator met een piek van 10 V sinusoïdale uitgang en een frequentie van 1 kHz.
- Voordat u begint, sluit u de differentiële sonde aan op één oscilloscoopkanaal en een normale sonde op het andere kanaal.
- Stel de knoppen op de sondes als volgt in: differentiële sonde op 20X (of 1/20) en de normale sonde op 10X. Vergeet niet de differentiële sonde AANZET.
- Stel in het menu van elk kanaal op de oscilloscoop de sonde in op 10X. Voor de differentiële sonde vermenigvuldigt u handmatig eventuele metingen of resultaten met twee om de gewenste 20X te bereiken.
- Om de functiegenerator in te stellen, zorg ervoor dat de 50 Ω OUTPUT is aangesloten op een BNC-naar-alligatorsnoer.
- Sluit de alligatorklemmen aan op een normale oscilloscoopsonde om de uitgang van de functiegenerator te observeren.
- Stel de uitgang in op een sinusoïde bij 10 V piek en 1 kHz frequentie met nul DC-offset.
- Bekijk de uitvoer van de functiegenerator en pas de instellingen aan om de gewenste uitgangsgolfvorm te bereiken.
- Zodra uw signaal is ingesteld, koppelt u de BNC-connector los, maar laat de functiegenerator AANZET om de instellingen te behouden. Koppel de sonde van de oscilloscoop los van de generatoruitgang.
- Om de VARIAC in te stellen, zorg ervoor dat de VARIAC-uitgang (ziet eruit als een gewone stopcontact) niet is aangesloten op een kabel.
- Houd de VARIAC UIT en zorg ervoor dat de knop op nul is ingesteld.
- Stel de knop van de VARIAC langzaam in op 5% uitgang. Dit zou rond de 10V piekspanning moeten opleveren.
Halfgolfgelijkrichter
2. Weerstandbelasting met hoge frequentie-ingang
- Gebruik de functiegenerator als AC-bron, maar houd deze voorlopig los van het circuit.
- Bouw op het protoboard de in Fig.1 getoonde circuit. De diode (D) is 2A01G-T geclassificeerd voor 50 V en 2 A, terwijl de weerstandsbelasting (R) 51 Ω is.
- Zorg ervoor dat de polariteit van de diode correct is. De streep op de diode bevindt zich op de kathode.
- Voordat u de differentiële sonde op het circuit aansluit, verbindt u de klemmen van de sonde met elkaar en past u de gemeten golfvorm op het scherm aan om nul offsetspanning te laten zien.
- Verbind de differentiële spanningssonde over de weerstandsbelasting om de uitgangsspanning Vuit te observeren.
- Verbind een normale sonde over de AC-zijde om de ingangsspanning Vin te observeren.
- Verbind de functiegenerator met het circuit.
- Stel de tijdsbasis op de oscilloscoop in om Vin en Vuit te laten zien voor maximaal vier fundamentele cycli van Vin. Maak een kopie van de golfvormen.
- Zoom in op het gebied van de diode-uitschakeling en maak een kopie van de golfvormen.
- Koppel de functiegenerator los en verwijder de differentiële sonde voor belastingsaanpassingen. Houd de rest van het circuit en de verbindingen zoals ze zijn.
Figuur 1: Halfgolfgelijkrichter met weerstandsbelasting
3. Weerstand-inductieve belasting met hoge frequentie-ingang
- Gebruik het circuit in Fig. 1 en sluit een inductor van 4,7 mH (L) in serie met de weerstandsbelasting zoals getoond in Fig. 2.
- Verbind de differentiële spanningssonde over de weerstandsbelasting om de weerstandsspanning Vuit te observeren, die dezelfde golfvormvorm heeft als de RL-belastingsstroom Iuit.
- Zet de uitgang van de functiegenerator AANZET.
- Stel de tijdsbasis op de oscilloscoop in om Vin en Vuit te laten zien voor maximaal vier fundamentele cycli van Vin. Maak een kopie van de golfvormen.
- Zoom in op het gebied van de diode-uitschakeling en observeer de vertraging in de uitschakelingstijd. Maak een kopie van de golfvormen.
- Zet de uitgang van de functiegenerator UIT en koppel deze los van het circuit.
- Verwijder de inductor L en laat de rest van het circuit zoals het is.
Bron: Ali Bazzi, Afdeling Elektrotechniek, Universiteit van Connecticut, Storrs, CT.
Een DC-voeding wordt over het algemeen beschouwd als een apparaat…
AANDACHT: Tijdens dit experiment mag u geen onderdeel van het circuit aanraken terwijl het onder spanning staat. De wisselstroombron is alleen geaard zoals weergegeven in Fig. 1 en 2 wanneer de functiegenerator een bron is. AARD DE VARIAC NIET.
1. AC-bron instellen
Voor dit experiment worden twee wisselstroombronnen gebruikt; een variabele transformator (VARIAC) met een lage frequentie van 60 Hz en een functiegenerator met een piek van 10 V sinusoïdale uitgang en een frequentie van 1 kHz.
- Voordat u begint, sluit u de differentiële sonde aan op één oscilloscoopkanaal en een normale sonde op het andere kanaal.
- Stel de knoppen op de sondes als volgt in: differentiële sonde op 20X (of 1/20) en de normale sonde op 10X. Vergeet niet de differentiële sonde AANZET.
- Stel in het menu van elk kanaal op de oscilloscoop de sonde in op 10X. Voor de differentiële sonde vermenigvuldigt u handmatig eventuele metingen of resultaten met twee om de gewenste 20X te bereiken.
- Om de functiegenerator in te stellen, zorg ervoor dat de 50 Ω OUTPUT is aangesloten op een BNC-naar-alligatorsnoer.
- Sluit de alligatorklemmen aan op een normale oscilloscoopsonde om de uitgang van de functiegenerator te observeren.
- Stel de uitgang in op een sinusoïde bij 10 V piek en 1 kHz frequentie met nul DC-offset.
- Bekijk de uitvoer van de functiegenerator en pas de instellingen aan om de gewenste uitgangsgolfvorm te bereiken.
- Zodra uw signaal is ingesteld, koppelt u de BNC-connector los, maar laat de functiegenerator AANZET om de instellingen te behouden. Koppel de sonde van de oscilloscoop los van de generatoruitgang.
- Om de VARIAC in te stellen, zorg ervoor dat de VARIAC-uitgang (ziet eruit als een gewone stopcontact) niet is aangesloten op een kabel.
- Houd de VARIAC UIT en zorg ervoor dat de knop op nul is ingesteld.
- Stel de knop van de VARIAC langzaam in op 5% uitgang. Dit zou rond de 10V piekspanning moeten opleveren.
Halfgolfgelijkrichter
2. Weerstandbelasting met hoge frequentie-ingang
- Gebruik de functiegenerator als AC-bron, maar houd deze voorlopig los van het circuit.
- Bouw op het protoboard de in Fig.1 getoonde circuit. De diode (D) is 2A01G-T geclassificeerd voor 50 V en 2 A, terwijl de weerstandsbelasting (R) 51 Ω is.
- Zorg ervoor dat de polariteit van de diode correct is. De streep op de diode bevindt zich op de kathode.
- Voordat u de differentiële sonde op het circuit aansluit, verbindt u de klemmen van de sonde met elkaar en past u de gemeten golfvorm op het scherm aan om nul offsetspanning te laten zien.
- Verbind de differentiële spanningssonde over de weerstandsbelasting om de uitgangsspanning Vuit te observeren.
- Verbind een normale sonde over de AC-zijde om de ingangsspanning Vin te observeren.
- Verbind de functiegenerator met het circuit.
- Stel de tijdsbasis op de oscilloscoop in om Vin en Vuit te laten zien voor maximaal vier fundamentele cycli van Vin. Maak een kopie van de golfvormen.
- Zoom in op het gebied van de diode-uitschakeling en maak een kopie van de golfvormen.
- Koppel de functiegenerator los en verwijder de differentiële sonde voor belastingsaanpassingen. Houd de rest van het circuit en de verbindingen zoals ze zijn.
Figuur 1: Halfgolfgelijkrichter met weerstandsbelasting
3. Weerstand-inductieve belasting met hoge frequentie-ingang
- Gebruik het circuit in Fig. 1 en sluit een inductor van 4,7 mH (L) in serie met de weerstandsbelasting zoals getoond in Fig. 2.
- Verbind de differentiële spanningssonde over de weerstandsbelasting om de weerstandsspanning Vuit te observeren, die dezelfde golfvormvorm heeft als de RL-belastingsstroom Iuit.
- Zet de uitgang van de functiegenerator AANZET.
- Stel de tijdsbasis op de oscilloscoop in om Vin en Vuit te laten zien voor maximaal vier fundamentele cycli van Vin. Maak een kopie van de golfvormen.
- Zoom in op het gebied van de diode-uitschakeling en observeer de vertraging in de uitschakelingstijd. Maak een kopie van de golfvormen.
- Zet de uitgang van de functiegenerator UIT en koppel deze los van het circuit.
- Verwijder de inductor L en laat de rest van het circuit zoals het is.
Eenfasige gelijkrichters worden gebruikt om wisselspanning en -stroom om te zetten in gelijkstroom, zoals vereist voor het aandrijven van apparatuur en digitale elektronische apparaten. Standaard elektriciteitsvoeding geleverd aan huizen en bedrijven is wisselstroom. Echter, de meeste digitale elektronica is ontworpen om op gelijkstroom te werken. Rectifiers zijn apparaten die kunnen worden gebruikt om wisselstroom om te zetten in een compatibele gelijkstroom. Een gelijkrichter laat stroom slechts in één richting door, waardoor de bipolaire wisselstroominvoer wordt getransformeerd in een unipolaire gerectificeerde uitvoer. Rectificatiecircuits gebruiken een of meer diodes om alleen positieve of negatieve wisselstroom door te laten, wat resulteert in een pulserende bron, die vervolgens wordt gefilterd om een soepele, consistente, gelijkstroom en stroom te verkrijgen. Deze video introduceert fundamentele gelijkrichter- en diodecircuitconcepten, demonstreert verschillende veelvoorkomende gelijkrichtercircuits en test de spanningsuitvoer van gelijkrichtercircuits met variaties in spanningsinvoer en belastingsconfiguratie.
Gelijkerichters zijn apparaten die in elektronische circuits worden gebruikt om stroom in één richting door te laten en deze in de andere richting te blokkeren. Rectifiers laten de doorstroming van stroom alleen toe wanneer een drempelwaarde voorwaartse spanning wordt overschreden. Diode-gelijkrichters hebben twee terminals, de anode en de kathode, met stroom van anode naar kathode en geblokkeerd van kathode naar anode. Enkelfasige halfgolfgelijkrichters laten spanning over een enkele diode door. In dit circuit wordt alleen de positieve helft van de AC-invoerspanning naar de uitgang over de belastingsweerstand overgedragen. Als de diode zou worden omgedraaid, zou alleen de negatieve helft van de AC-invoerspanning over de weerstand verschijnen. Spanning voor de negatieve helft van de AC-cyclus wordt geblokkeerd. Met slechts één polariteit wordt de RMS- of root mean squared-uitgangsspanning verminderd vergeleken met die van de bipolaire invoerspanning. Volledige gelijkrichters laten beide halfcycli van de AC-invoerspanning door een brugcircuit van vier diodes passeren, zoals getoond. Door de polariteit van de negatieve helft om te draaien en een hogere gemiddelde uitgangsspanning over de belastingsweerstand te verkrijgen. Rectifiers resulteren in een unidirectionele, maar pulserende stroom met het effect duidelijker zichtbaar in halfgolfgelijkrichters. De uitvoer van de gelijkrichter wordt echter meestal gefilterd door de toevoeging van een inductor in serie met de belastingsweerstand. In de volledige gelijkrichter dient een condensator die parallel aan de belastingsweerstand is samengesteld, hetzelfde doel. Deze video illustreert half- en volledige enkele fase gelijkrichterwerking met verschillende uitgangsbelastingen, diode-uitschakelkarakteristieken en filtering van de DC-uitgangsspanning met behulp van verschillende circuits.
Voor deze demonstratie van gelijkrichterwerking worden twee verschillende wisselstroombronnen gebruikt, hoogfrequent, een kilohertz-invoer, wordt geproduceerd met behulp van een functiegenerator met 10 volt piek sinusvormige uitvoer. Laagfrequente 60 hertz-invoer wordt geleverd door een variac. Raak geen enkel onderdeel van het circuit aan terwijl het onder spanning staat. Bij gebruik van de functiegeneratorbron worden de circuits geaard zoals getoond. Aarde de variac-voeding niet. Om de functiegenerator voor hoogfrequente uitvoer in te stellen, sluit u de differentiële sonde aan op oscilloscoopkanaal één en een 10x sonde op kanaal twee. Stel de schaalfactoren in op 20x op de differentiële sonde en 10x op de 10x sonde. Stel op de menu's van het oscilloscoopkanaal beide sondes in op 10x. Voor de differentiële sonde vermenigvuldigt u de metingen handmatig met twee om de gewenste 20x uitvoer te bereiken. Verbind vervolgens een BNC naar alligatorkabel naar de 50 ohm uitvoer van de functiegenerator en verbind de alligatorclips met de 10x oscilloscoopsonde. Stel de uitvoer in op een 10 volt piek en 1.000 hertz sinusvormige golfvorm met nul DC-offset. Zodra het signaal overeenkomstig is ingesteld, koppelt u de bnc-connector en oscilloscoopsonde los, maar laat de functiegenerator aan om de instellingen te behouden. Om de variac voor laagfrequente uitvoer in te stellen, zorg ervoor dat de uitgangscontactdoos is losgekoppeld en dat deze uit staat met de knop op nul. Pas vervolgens de variacknop langzaam aan tot vijf procent uitvoer om 10 volt piek te bereiken.
Test eerst de halfgolfgelijkrichter met een hoogfrequente invoerspanning en een resistieve belasting. Bouw het circuit zoals getoond, met behulp van een 51 ohm belastingsweerstand en een diode met een nominale spanning van 50 volt en twee ampère. De polariteit van de diode wordt gelabeld met een streepsymbool aan de kathodekant. Voordat u de differentiële sonde op het circuit aansluit, sluit u de aansluitingen van de sonde op elkaar aan en past u de golfvorm aan tot nul offsetspanning. Verbind vervolgens de differentiële spanningssonde over de belastingsweerstand om de uitgangsspanning te observeren en de 10x sonde over de wisselstroomzijde om de invoerspanning te observeren. Pas vervolgens de tijdsbasis op de oscilloscoop aan om de ingangs- en uitgangsspanning te tonen voor vier cycli van ingangsspanning. Koppel de functiegenerator los en verwijder de differentiële sonde uit het circuit voordat u wijzigingen aanbrengt. Test vervolgens de halfgolfgelijkrichter met hoogfrequente invoer en een resistief inductieve belasting. Gebruik het circuit opnieuw, met toevoeging van een inductor in serie met de weerstand, zoals getoond. Verbind de sondes zoals eerder beschreven naar het circuit en toon de golfvormen van ingangs- en uitgangsspanning. Schakel de functiegenerator uit, koppel de differentiële sonde los en verwijder de inductor uit het circuit. Test tenslotte de halfgolfgelijkrichter met laagfrequente invoer en een resistieve belasting. Verbind de differentiële sonde over de variac en zet deze aan. Pas de variac aan om een uitgang van 10 volt piek te verkrijgen, schakel vervolgens de variac uit zonder de spanningsinstelling te wijzigen. Bevestig de uitgang van de variac aan het resistieve circuit, zoals getoond. Verbind vervolgens de differentiële spanningssonde over de belastingsweerstand om de uitgangsspanning te observeren. Zet de variac aan. Raak het circuit niet aan met de variac-
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.
Hoofdstukken in deze video
0:06
Overview
1:19
Principles of Single-Phase Rectifiers
3:19
AC Source Setup
5:14
Half-Wave Rectifier Test
7:30
Full-Wave Rectifier Test
8:12
Representative Results
9:28
Applications
10:53
Summary