Raddrizzatori monofase

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.

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.

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 V_{in uscita.}
   2. Collegare una sonda regolare sul lato CA per osservare la tensione di ingresso V_in.
   3. Collegare il generatore di funzioni al circuito.
4. Regolare la base temporale sull'ambito per visualizzare V_in e V_out per un massimo di quattro cicli fondamentali di V_in. 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.

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 V_{in uscita}che ha la stessa forma d'onda della corrente di carico R-L I in_uscita.
3. Accendere l'uscita del generatore di funzioni.
4. Regolare la base temporale sull'ambito per visualizzare V_in e V_out per un massimo di quattro cicli fondamentali di V_in. 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.

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, V_out.
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 V_per 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 V_{in 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 V_per un massimo di quattro cicli fondamentali di V_in. Crea una copia delle forme d'onda.
   1. Misurare il valore da picco a picco di V_out 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.

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 V_per un massimo di quattro cicli fondamentali di VIN. Crea una copia delle forme d'onda.
   1. Misurare il valore picco-picco di V_out 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.

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

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 V_in=V₀cos(ωt):

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

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

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

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.