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Raddrizzatori monofase

Overview

Fonte: Ali Bazzi, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università del Connecticut, Storrs, CT.

Un alimentatore CC è generalmente considerato un dispositivo che fornisce tensione e corrente CC o unidirezionale. Le batterie sono uno di questi alimentatori, tuttavia, sono limitate in termini di durata e spesa. Un metodo alternativo per fornire energia unidirezionale è quello di trasformare l'alimentazione della linea CA in alimentazione CC utilizzando un raddrizzatore.

Un raddrizzatore è un dispositivo che passa la corrente in una direzione e la blocca nell'altra direzione, consentendo la trasformazione di AC in DC. I raddrizzatori sono importanti nei circuiti elettronici in quanto consentono la corrente in una certa direzione solo dopo che una certa tensione di soglia attraverso di essi è stata superata. Un raddrizzatore può essere un diodo, un raddrizzatore di controller al silicio o altri tipi di giunzioni P-N in silicio. I diodi hanno due terminali, l'anodo e il catodo, dove la corrente scorre dall'anodo al catodo. I circuiti raddrizzatori utilizzano uno o più diodi che cambiano tensioni e correnti CA, che sono bipolari, in tensioni e correnti unipolari che possono essere facilmente filtrate per ottenere tensioni e correnti CC.

Principles

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I raddrizzatori a diodi sono dispositivi a semiconduttore a due terminali che passano la corrente in una direzione e la bloccano nell'altra direzione. La corrente passa dall'anodo al catodo ma non dal catodo all'anodo. In genere c'è una certa corrente di dispersione nella direzione di blocco (catodo ad anodo), ma è molto bassa. I diodi che bloccano il flusso di corrente devono quindi bloccare un certo livello di tensione dal catodo all'anodo, quindi i diodi sono classificati per la loro capacità di trasporto di corrente e la loro capacità di blocco della tensione. Quando la tensione attraverso i terminali a diodi supera tale valore nominale di blocco della tensione, il diodo opera nella regione di rottura dove si rompe e passa la corrente in entrambe le direzioni. Il fatto che i diodi passino corrente in una direzione porta a capacità di rettifica in cui AC può essere convertito in DC.

I raddrizzatori a mezza onda (Fig.1 e Fig. 2) passano solo metà della tensione di ingresso CA all'uscita mentre bloccano la metà negativa fornendo una tensione di uscita zero. I raddrizzatori a onda piena (Fig. 3 e Fig. 4) capovolgono la polarità della metà negativa per diventare positivi oltre a superare la metà positiva. Sebbene le uscite di questi raddrizzatori non siano lisce, sono per definizione uscite CC, poiché la corrente scorre in una sola direzione. Tuttavia, queste forme d'onda di uscita sono in genere filtrate per attenuare la tensione di uscita risultante.

L'obiettivo di questo esperimento è studiare il funzionamento del raddrizzatore monofase a mezza onda e a onda piena per diversi tipi di carico. La rettifica, insieme alle caratteristiche di spegnimento dei diodi, si osservano quando la corrente del diodo raggiunge lo zero. Viene anche studiato il filtraggio della tensione di uscita CC utilizzando un condensatore elettrolitico.

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Procedure

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ATTENZIONE: Durante questo esperimento, non toccare nessuna parte del circuito mentre è eccitato. La sorgente CA è messa a terra solo come mostrato in Fig. 1 e 2 quando il generatore di funzioni è una sorgente. NON mettere a terra il VARIAC.

1. Configurazione dell'origine CA

Per questo esperimento vengono utilizzate due sorgenti AC; un trasformatore variabile (VARIAC) a bassa frequenza di 60 Hz e un generatore di funzioni con uscita sinusoidale di picco di 10 V e frequenza di 1 kHz.

  1. Prima di iniziare, collegare la sonda differenziale a un canale dell'oscilloscopio e una sonda normale all'altro canale.
  2. Regolare i pulsanti sulle sonde come segue: sonda differenziale a 20X (o 1/20) e sonda normale a 10X. Non dimenticare di accendere la sonda differenziale.
  3. Nel menu di ciascun canale sull'ambito, impostare la sonda su 10X. Per la sonda differenziale, moltiplicare manualmente eventuali misurazioni o risultati per due per raggiungere il 20X desiderato.
  4. Per impostare il generatore di funzioni, assicurarsi che il 50 Ω OUTPUT sia collegato a un cavo BNC-alligator.
    1. Collegare le clip a coccodrillo a una sonda normale per osservare l'uscita del generatore di funzioni.
    2. Impostare l'uscita come sinusoide a 10 V di picco e frequenza 1 kHz con offset DC zero.
    3. Osservare l'uscita del generatore di funzioni e regolarne le impostazioni per ottenere la forma d'onda di uscita desiderata.
    4. Una volta impostato il segnale, scollegare il connettore BNC ma mantenere il generatore di funzioni ON per mantenere le sue impostazioni. Scollegare la sonda dell'oscilloscopio dall'uscita del generatore.
  5. Per configurare variaC, assicurarsi che l'uscita VARIAC (simile a una normale presa) non sia collegata ad alcun cavo.
    1. Tenere il VARIAC OFF e assicurarsi che la sua manopola sia impostata su zero.
    2. Regolare lentamente la manopola VARIAC al 5% di uscita. Questo dovrebbe produrre circa 10V di tensione di picco.

Raddrizzatore a mezza onda

2. Carico resistivo con ingresso ad alta frequenza

  1. Utilizzare il generatore di funzioni come sorgente CA, ma tenerlo scollegato dal circuito per ora.
  2. Sulla scheda proto, costruisci il circuito mostrato in Fig.1. Il diodo (D) è nominale 2A01G-T per 50 V e 2 A mentre il resistore di carico (R) è di 51 Ω.
    1. Assicurarsi che la polarità del diodo sia corretta. Il trattino sul diodo è al catodo.
  3. Prima di collegare la sonda differenziale al circuito, legare insieme i terminali della sonda e regolare la forma d'onda misurata sullo schermo per mostrare la tensione di offset zero.
    1. Collegare la sonda di tensione differenziale attraverso il resistore di carico per osservare la tensione di uscita Vin uscita.
    2. Collegare una sonda regolare sul lato CA per osservare la tensione di ingresso Vin.
    3. Collegare il generatore di funzioni al circuito.
  4. Regolare la base temporale sull'ambito per visualizzare Vin e Vout per un massimo di quattro cicli fondamentali di Vin. Crea una copia delle forme d'onda.
    1. Ingrandire la regione di spegnimento del diodo e creare una copia delle forme d'onda.
  5. Scollegare il generatore di funzioni e rimuovere la sonda differenziale per le modifiche del carico. Mantieni il resto del circuito e le connessioni così come sono.

Figure 1
Figura 1: Raddrizzatore a mezza onda con carico resistivo

3. Carico resistivo-induttivo con ingresso ad alta frequenza

  1. Utilizzando lo stesso circuito in Fig. 1, collegare un induttore da 4,7 mH (L) in serie con il carico resistivo come mostrato in Fig. 2.
  2. Collegare la sonda di tensione differenziale attraverso il resistore di carico per osservare la tensione del resistore Vin uscitache ha la stessa forma d'onda della corrente di carico R-L I inuscita.
  3. Accendere l'uscita del generatore di funzioni.
  4. Regolare la base temporale sull'ambito per visualizzare Vin e Vout per un massimo di quattro cicli fondamentali di Vin. Crea una copia delle forme d'onda.
    1. Ingrandisci la regione di spegnimento del diodo e osserva il ritardo nel tempo di spegnimento. Crea una copia delle forme d'onda.
    2. Spegnere l'uscita del generatore di funzioni e scollegarla dal circuito.
    3. Rimuovere l'induttore L e mantenere il resto del circuito così com'è.

Figure 2
Figura 2: Raddrizzatore a mezza onda con carico R-L

4. Carico resistivo con ingresso a bassa frequenza

  1. Assicurarsi che l'uscita VARIAC sia al 5% e scollegata dal circuito. Collegare la sonda differenziale attraverso il VARIAC, ruotare il VARIAC ON e regolare leggermente la sua uscita per raggiungere un picco di 10 V.
    1. Acquisire la forma d'onda sull'ambito da utilizzare come osservazione della tensione di ingresso di riferimento.
    2. Spegnere variaC ma non modificarne l'impostazione di tensione.
  2. Utilizzando lo stesso circuito della Fig. 1, cioè con l'induttore scollegato e il resistore come unico carico, collegare l'uscita VARIAC utilizzando il cavo plug-banana.
  3. Collegare la sonda di tensione differenziale attraverso il resistore di carico per osservare la tensione di uscita, Vout.
  4. Accendere l'uscita VARIAC. Stai lontano dal circuito e osserva le forme d'onda sull'oscilloscopio. Se è necessario eseguire il debug del circuito, spegnere prima VARIAC.
  5. Regola la base temporale sull'ambito per mostrare Vper un massimo di quattro cicli fondamentali. Crea una copia della forma d'onda.
    1. Ingrandire la regione di spegnimento del diodo e creare una copia delle forme d'onda.
  6. Spegnere il VARIAC e smontare il circuito. NON modificare l'impostazione della tensione VARIAC.

Raddrizzatore Full-Wave

5. Carico resistivo

  1. Sulla scheda proto, costruisci il circuito mostrato in Fig. 3.
    1. Assicurarsi che la polarità del diodo sia corretta. Il trattino sul diodo è al catodo.
  2. Una volta che il circuito è pronto, collegare l'uscita VARIAC come sorgente CA.
  3. Collegare la sonda di tensione differenziale attraverso il resistore di carico per osservare la tensione di uscita Vin uscita.
  4. Accendere l'uscita VARIAC. Stai lontano dal circuito e osserva le forme d'onda sull'oscilloscopio. Se è necessario eseguire il debug del circuito, spegnere prima VARIAC.
  5. Regolare la base temporale sull'ambito per mostrare Vper un massimo di quattro cicli fondamentali di Vin. Crea una copia delle forme d'onda.
    1. Misurare il valore da picco a picco di Vout utilizzando i cursori.
  6. Mantenere le connessioni della sonda così come sono e spegnere il VARIAC e smontare il circuito.
    1. NON modificare l'impostazione della tensione VARIAC.

Figure 3
Figura 3. Raddrizzatore a onda piena con carico resistivo.

6. Carico resistivo con condensatore filtrante

  1. Utilizzando lo stesso circuito in Fig. 3, collegare un condensatore elettrolitico (C) in parallelo con il carico resistivo come mostrato in Fig. 4.
    1. Assicurarsi che la polarità del condensatore sia corretta con il terminale ( - ) collegato al lato negativo del carico.
  2. Accendere l'uscita VARIAC. Stai lontano dal circuito e osserva le forme d'onda sull'oscilloscopio. Prima di eseguire il debug del circuito, spegnere VARIAC.
  3. Regola la base temporale sull'ambito per mostrare Vper un massimo di quattro cicli fondamentali di VIN. Crea una copia delle forme d'onda.
    1. Misurare il valore picco-picco di Vout utilizzando i cursori e l'opzione di accoppiamento AC per quel canale (l'accoppiamento AC elimina l'offset DC di un segnale).
  4. Riportare questo all'accoppiamento CC una volta effettuata la misurazione.
  5. Spegnere il VARIAC.
  6. Smontare il circuito e ripulire il banco.

Figure 4
Figura 4. Raddrizzatore a onda piena con carico resistivo e filtraggio capacitivo

I raddrizzatori monofase vengono utilizzati per convertire la tensione e la corrente di alimentazione CA in CC, come richiesto per l'alimentazione di apparecchiature e dispositivi elettronici digitali. L'alimentazione di rete standard fornita alle case e al commercio è CA. Tuttavia, la maggior parte dell'elettronica digitale è progettata per funzionare con alimentazione CC. I raddrizzatori sono dispositivi che possono essere utilizzati per trasformare l'elettricità CA in un'alimentazione CC compatibile. Un raddrizzatore passa la corrente in una sola direzione, trasformando così l'ingresso CA bipolare in un'uscita rettificata unipolare. I circuiti raddrizzatori utilizzano uno o più diodi per passare solo alimentazione CA positiva o negativa, risultando in una sorgente pulsante, che viene quindi filtrata per ottenere tensione e corrente CC fluide e coerenti. Questo video introduce i concetti fondamentali di circuito raddrizzatore e diodo, dimostra diversi circuiti raddrizzatori comuni e testa l'uscita di tensione dei circuiti raddrizzatori con variazioni nella configurazione di ingresso e carico della tensione.

I raddrizzatori sono dispositivi utilizzati nei circuiti elettronici per far passare la corrente in una direzione e bloccarla nell'altra direzione. I raddrizzatori consentono il passaggio di corrente solo quando viene superata una tensione diretta di soglia. I raddrizzatori a diodi hanno due terminali, l'anodo e il catodo, con corrente che scorre da anodo a catodo e bloccata da catodo ad anodo. I raddrizzatori a semionde monofase passano la tensione attraverso un singolo diodo. In questo circuito, solo la metà positiva della tensione di ingresso CA trasmette all'uscita attraverso il resistore di carico. Se il diodo fosse invertito, solo la metà negativa della tensione di ingresso CA apparirebbe attraverso il resistore. La tensione per la metà negativa del ciclo CA è bloccata. Con una sola polarità, l'RMS, o radice media al quadrato, la tensione di uscita è ridotta rispetto a quella della tensione di ingresso bipolare. I raddrizzatori a onda piena passano entrambi i mezzi cicli della tensione di ingresso CA attraverso un circuito a quattro ponti a diodi, come mostrato. Capovolgere la polarità della metà negativa e produrre una tensione di uscita media più elevata attraverso il resistore di carico. I raddrizzatori provocano una corrente unidirezionale, ma pulsante, con l'effetto più evidente nei raddrizzatori a mezza onda. Tuttavia, l'uscita del raddrizzatore viene tipicamente filtrata mediante l'aggiunta di un induttore in serie con la resistenza al carico. Nel raddrizzatore a onda piena, un condensatore assemblato in parallelo al resistore di carico ha lo stesso scopo. Questo video illustra il funzionamento del raddrizzatore monofase a mezza e piena onda con diversi carichi di uscita, le caratteristiche di spegnimento del diodo e il filtraggio della tensione di uscita CC utilizzando circuiti diversi.

Per questa dimostrazione del funzionamento del raddrizzatore, vengono utilizzate due diverse sorgenti CA, ad alta frequenza, un ingresso kilohertz, viene prodotto utilizzando un generatore di funzione con uscita sinusoidale di picco di 10 volt. L'ingresso a bassa frequenza a 60 hertz è fornito da una variac. Non toccare nessuna parte del circuito mentre è eccitato. Quando si utilizza la sorgente del generatore di funzioni, i circuiti vengono messi a terra come mostrato. Non mettere a terra l'alimentazione variac. Per impostare il generatore di funzioni per l'uscita ad alta frequenza, collegare la sonda differenziale a un oscilloscopio canale uno e una sonda 10x al canale due. Regolare i fattori di scala a 20x sulla sonda differenziale e 10x sulla sonda 10x. Nei menu dei canali dell'ambito, impostare entrambe le sonde su 10x. Per la sonda differenziale, moltiplicare manualmente le misurazioni per due per raggiungere l'uscita desiderata 20x. Quindi, collegare un BNC al cavo alligatore all'uscita da 50 ohm del generatore di funzioni e collegare le clip alligatore alla sonda 10x. Impostare l'uscita su un picco di 10 volt e una forma d'onda sinusoidale a 1.000 hertz con offset DC zero. Una volta impostato il segnale di conseguenza, scollegare il connettore bnc e la sonda dell'oscilloscopio, ma mantenere il generatore di funzioni acceso per mantenere le sue impostazioni. Per impostare il variac per l'uscita a bassa frequenza, assicurarsi che la presa di uscita sia scollegata e che sia spenta con la manopola impostata su zero. Quindi, regolare lentamente la manopola variac al cinque percento di uscita per raggiungere un picco di 10 volt.

In primo luogo, testare il raddrizzatore a mezza onda con una tensione di ingresso ad alta frequenza e un carico resistivo. Costruire il circuito come mostrato, utilizzando un resistore di carico da 51 ohm e un diodo nominale per 50 volt e due ampere. La polarità del diodo è etichettata con un simbolo di trattino all'estremità del catodo. Prima di collegare la sonda differenziale al circuito, collegare i terminali della sonda insieme e regolare la forma d'onda a tensione di offset zero. Quindi, collegare la sonda di tensione differenziale attraverso il resistore di carico per osservare la tensione di uscita e la sonda 10x attraverso il lato CA per osservare la tensione di ingresso. Quindi, regolare la base temporale sull'ambito per mostrare la tensione di ingresso e di uscita per quattro cicli di tensione di ingresso. Scollegare il generatore di funzioni e rimuovere la sonda differenziale dal circuito prima di apportare modifiche. Quindi, testare il raddrizzatore a mezza onda con ingresso ad alta frequenza e un carico induttivo resistivo. Riutilizzare il circuito, aggiungendo un induttore in serie con il resistore, come mostrato. Come descritto in precedenza, collegare le sonde al circuito e visualizzare le forme d'onda della tensione di ingresso e uscita. Spegnere il generatore di funzioni, scollegare la sonda differenziale e rimuovere l'induttore dal circuito. Infine, testare il raddrizzatore a mezza onda con ingresso a bassa frequenza e carico resistivo. Collegare la sonda differenziale attraverso la variac e accenderla. Regolare il variac per ottenere un'uscita di picco di 10 volt, quindi spegnere il variac senza modificarne l'impostazione della tensione. Collegare l'uscita variac al circuito resistivo, come mostrato. Quindi, collegare la sonda di tensione differenziale attraverso il resistore di carico per osservare la tensione di uscita. Attivare la variac. Non toccare il circuito con l'alimentazione variac collegata e accesa. Come descritto in precedenza, visualizzare le forme d'onda della tensione di ingresso e di uscita.

Innanzitutto, testare il raddrizzatore a onda piena con un carico resistivo. Costruire il circuito come mostrato e collegare le sonde e l'uscita variac al circuito. Come descritto in precedenza, visualizzare le forme d'onda della tensione di ingresso e di uscita e misurare le tensioni da picco a picco. Mantenendo i collegamenti della sonda, spegnere il variac e collegare un condensatore elettrolitico in parallelo con il carico resistivo. Quindi osservare la tensione di ingresso e di uscita.

La prima figura mostra quattro cicli di una tensione di alimentazione CA e l'uscita da un carico resistivo accoppiato a un raddrizzatore a mezza onda. Solo il mezzo ciclo positivo della tensione CA in ingresso passa attraverso il raddrizzatore a diodi. Se la tensione di ingresso del circuito raddrizzatore a mezza onda è sinusoidale, l'uscita di tensione media per un singolo diodo con un carico resistivo è la tensione di picco di ingresso divisa per pi. Quando un induttore viene aggiunto in serie con il resistore di carico, la regione di spegnimento del diodo viene ritardata. Questa combinazione di induttore e resistore è un filtro passa-basso. Quando il valore dell'induttore è sufficientemente grande, la componente oscillatoria dell'uscita viene bloccata, lasciando solo la componente DC costante. Per un raddrizzatore a ponte pieno, i semici cicli positivi in ingresso passano attraverso il circuito e i semi cicli negativi vengono rettificati in positivi. L'aggiunta di un condensatore sufficientemente grande filtra la maggior parte dell'ondulazione di tensione e fornisce al carico una tensione CC costante.

I raddrizzatori a diodi sono presenti nella maggior parte degli alimentatori, caricabatterie, azionamenti a frequenza variabile e in molti circuiti di protezione. In primo luogo, gli adattatori di alimentazione CA vengono utilizzati per convertire l'alimentazione per le macchine alimentate in corrente continua o per ricaricare le batterie CC contenute nei dispositivi. L'adattatore può essere semplice come un circuito costituito da un trasformatore per abbassare la tensione dall'alimentazione a parete a 120 volt, un raddrizzatore a onda piena a quattro ponti diodi e un condensatore per regolare la tensione di uscita CC. I tiristori sono raddrizzatori controllati dal silicone comunemente usati nei dimmer di luce, nei regolatori di velocità del motore e nei regolatori di tensione. In base alla progettazione, il tiristore è per alternare strati di semiconduttori di tipo P e N utilizzati per creare un anodo all'estremità di tipo P, un catodo all'estremità di tipo N e un salto di porta collegato allo strato di tipo P accanto al catodo. Al di sopra di una soglia di bloccaggio, un impulso di corrente nel cancello commuta il tiristore da spento a acceso, consentendo il flusso di corrente in avanti dall'anodo al catodo. Questo rettifica il flusso di corrente in una direzione e regola la potenza di uscita con un meccanismo di commutazione integrato.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai raddrizzatori monofase. Ora dovresti capire come funzionano i raddrizzatori monofase, i circuiti raddrizzatori comuni e la loro uscita e alcune applicazioni di raddrizzatori comuni. Grazie per l'attenzione.

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Results

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Si prevede che un carico resistivo accoppiato a un raddrizzatore a mezza onda vedrà solo il mezzo ciclo positivo della tensione CA di ingresso poiché il raddrizzatore a diodi può passare la corrente in una direzione. Con un raddrizzatore a ponte pieno, i semicir ciclo positivi e negativi in ingresso vengono rettificati per essere positivi, ma l'aggiunta di un condensatore filtrerà la maggior parte dell'ondulazione di tensione e fornirà al carico una tensione CC pulita.

Quando un induttore viene aggiunto in serie con il carico, si prevede che lo spegnimento del diodo sarà ritardato. Questo può essere spiegato come segue: i diodi si spendono in due condizioni (che sono necessarie per coesistere) 1) la corrente nel diodo deve andare a zero e 2) la tensione attraverso il diodo (tensione da anodo a catodo) è inferiore alla soglia di spegnimento. Quando un induttore è in serie con il carico, immagazzina energia e fungerà da sorgente di corrente quando la sorgente non è disponibile o sta diventando negativa sul lato anodico del diodo. Pertanto, la corrente dell'induttore manterrà il diodo come polarizzato in avanti fino a quando l'energia dell'induttore non viene dissipata. Equazioni essenziali che governano i circuiti raddrizzatori di base con ingresso Vin=V0cos(ωt):

Diodo singolo e carico resistivo: out>=V0/π (1)

Ponte a diodi e carico resistivo: <Vout>=2V0/π (2)

Ponte a diodi, carico sorgente di corrente: out>=2V0/π (3)

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Applications and Summary

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I raddrizzatori a diodi sono quasi in ogni alimentatore, caricabatterie, convertitore di frequenza variabile e in molti circuiti di protezione. La maggior parte degli alimentatori CC o degli alimentatori CA regolabili utilizzano raddrizzatori a diodi per convertire CA in CC e quindi in CA regolabile, se necessario, come negli alimentatori CA e negli azionamenti a frequenza variabile. Le applicazioni nei convertitori elettronici di potenza sono comuni per il blocco della tensione e per l'energia a ruota libera in induttori, relè elettromeccanici e avvolgimenti del motore. Le applicazioni a diodi vanno oltre le applicazioni di elettronica di potenza all'elettronica a bassa potenza, ai sistemi di comunicazione e alle applicazioni di illuminazione.

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