Circuite de redresare si filtrare

Pentru alimentarea cu curent a circuitelor electronice se foloseste tensiunea continua. Se stie ca reteaua de transport si distributie a energiei electrice in Rominia utilizeaza curentul alternativ cu tensiunea de 220V/380V si frecventa de 50Hz. (in unele state exista alte tensiuni si frecvente ale retelelor de distributie). Pentru obtinerea tensiunii continue se folosesc redresoarele care executa conversia tensiunii alternative in tensiune continua.

In general un redresor are trei parti principale:
· transformatorul cu rolul de a modifica tensiunea retelei pentru ca la iesirea redresorului sa se obtina o anumita valoare a tensiunii redresate, raportul de transformare este n1: n2 = U1m:U2m ;
· elementul redresor propriu-zis cu caracteristica neliniara si conductie unidirectionala care realizeaza redresarea;
· filtrul de netezire care reduce pulsatiile tensiunii redresate si este constituit de obicei din elemente pasive R, L, C .In unele aplicatii redresorul poate sa nu fie prevazut cu filtru de netezire (alimentarea unor servomotoare de curent continuu, circuite de generare a impulsurilor s.a.)

Parametrii care definesc un redresor sunt:
· tensiunea medie redresata in sarcina: Us
· curentul mediu redresat in sarcina: Is
· factorul de ondulatie definit ca:

(1)

unde Up este amplitudinea armonicii de frecventa cea mai joasa prezenta la iesire. O redresare de calitate presupune un factor de ondulatie scazut.
· Randamentul de redresare definit de relatia:

(2)

unde PU =USIS , este puterea utila in sarcina, iar PC este puterea furnizata de transformator in circuit.

Exista in principal doua tipuri de redresare: monoalternanta si bialternanta.

A. Redresarea monoalternanta

Schema redresorului monoalternanta este data in fig.1.a, si consta din: transformatorul de retea Tr. dioda D si rezistenta de sarcina RS.
Tensiunea medie la bornele rezistentei de sarcina este:

(3)

Fig.1 Redresor monoalternanta si diagramele de functionare

unde U2M este amplitudinea tensiunii din secundarul transformatorului, w este pulsatia acesteia, Rt este rezistenta totala a diodei si a secundarului transformatorului de retea. Daca se neglijieaza Rt se obtine:

(4)

(5)

Curentul maxim prin dioda va fi:

(6)

iar tensiunea inversa maxima pe dioda va fi:

(7)

Daca se ia in consideratie caderea de tensiune pe dioda de valoare aproximativa constanta UD0, atunci tensiunea medie pe sarcina devine:

(8)

B. Redresarea bialternanta.
1. Redresorul bialternanta cu punte de diode.

Schema redresorului bialternanta cu punte de diode este prezentata in fig.2.a. Pe durata alternantei pozitive a tensiunii furnizate de transformatorul de retea diodele D1 si D3 sunt polarizate direct si conduc, in timp ce diodele D2 si D4 sunt blocate. Pe durata alternantei negative diodele D2 si D4 conduc, iar diodele D1 si D3 sunt blocate. Curentul IS prin rezistorul de sarcina RS are tot timpul acelasi sens.

Fig.2 a-Schema redresorului bialternanta in punte; b-diagramele tensiunilor si curentilor.

Tensiunea medie la bornele rezistorului de sarcina este:

(9)

unde Rt reprezinta suma dintre rezistentele in conductie ale perechilor de diode D1, D3, respectiv D2, D4 si a rezistentei infasurarii secundare a transformatorului de retea.
Daca se neglijeaza Rt atunci:

(10)

Curentul mediu redresat este:

(11)

Curentul maxim prin diodele puntii este acelasi ca la redresarea monoalternanta. Tensiunea inversa maxima pe o dioda va fi jumatate din tensiunea din secundar (avem doua diode in serie):

(12)

Daca se ia in consideratie caderea de tensiune pe o dioda si se considera ca aceasta are o valoare aproximativ constanta UD0 atunci tensiunea medie pe sarcina devine:

(13)

Forma semnalelor corespunzatoare redresarii bialternanta cu punte de diode este data in fig.2.b.

2. Redresorul bialternanta cu priza.

Schema redresorului cu priza este data in fig.3.a. Pe durata alternantei pozitive a tensiunii de retea conduce dioda D1, D2 fiind blocata, iar pe durata alternantei negative conduce D2, D1 fiind blocata.

Fig.3 Schema redresorului bialternanta cu priza mediana

Se poate arata ca relatiile stabilite pentru tensiuni si curenti in cazul redresarii bialternanta cu punte de diode sunt valabile si aici ca de altfel si formele tensiunii si ale curentului. Totusi tensiunea inversa pe o dioda este mai mare in cazul redresorului cu priza decit in cazul redresorului cu punte de diode.
In tabelul 1 se dau parametrii reprezentativi pentru fiecare din redresoarele prezentate anterior, parametrii utili in proiectare.

Tipul redresorului

Monoalternanta

Bialternanta
cu priza

Bialternanta
in punte

Eficienta de conversie

0,406

0,812

0,812

Frecventa pulsatiilor

f

2f

2f

Tensiunea continua de ieºire

0,318 U2

0,636 U2

0,636 U2

Coeficientul de pulsatii

1,21

0,482

0,482

Tensiunea inversa pe o dioda

2U2

2U2

U2

Coef. de utilizare al transf.

0,287

0,693

0,812

C. Filtre de netezire
Filtrele de netezire sunt filtre trece jos care atenueaza pulsatiile tensiunii redresate, lasind neschimbata componenta continua. Se folosesc filtre cu diferite structuri care contin capacitati, rezistente, inductante. Cele mai folosite sunt filtrele capacitive.

Redresorul cu filtru capacitiv.
In fig.4.a se prezinta schema redresorului monoalternanta cu filtru capacitiv (un condensator de capacitate mare conectat in paralel cu sarcina). In fig.4.b,c,d, se prezinta diagramele de functionare.
Condensatorul schimba regimul de functionare al diodei. Aceasta va conduce in intervalul q1 - q2, cind dioda este polarizata direct. Atita timp cit dioda conduce, curentul care o strabate este egal cu suma dintre curentul de incarcare al condensatorului si curentul prin sarcina. Pe timpul cit dioda este blocata condensatorul asigura curentul prin sarcina, cu alte cuvinte acesta se descarca prin rezistenta de sarcina. Acest timp este egal cu T - (q2 - q1) pe durata unei perioade (T) a tensiunii de retea.

Fig.4 a- redresor monoalternanta cu filtru capacitiv; b- curba reala a tensiunii de iesire; c- curbele reale ale curentilor

iD; iC; iS; c- curba idealizata a tensiunii de iesire.

Pentru determinarea valorii medii Umed si a factorului de pulsatie g se presupune ca in intervalul de timp cit dioda este blocata tensiunea US variaza liniar in timp si creste brusc cind tensiunea din secundar devine maxima. In aceasta situatie tensiunea medie pe sarcina va fi:

(14)

unde Ur este amplitudinea variatiei tensiunii pe sarcina, care se numeste tensiune de riplu, ea fiind data de:

(15)

DQ reprezentind variatia sarcinii condensatorului in intervalul p/2 - 5p/2. Deoarece tensiunea pe sarcina variaza liniar in intervalul cit dioda nu conduce cu amplitudinea Ur« Umed curentul debitat de condensator se poate considera constant si egal cu Imed. In aceasta situatie tensiunea medie pe sarcina devine:

(16)

Daca se ia in consideratie caderea de tensiune pe dioda si se aproximeaza ca aceasta are o valoare constanta UD atunci tensiunea medie pe sarcina devine:

(17)

Fenomenele sunt asemanatoare si in cazul redresorului bialternanta cu filtru capacitiv. Diferentele ce apar au drept cauza faptul ca pulsatia tensiunii pulsatorii obtinute in cazul redresarii bialternanta este dubla si prin urmare timpul de descarcare al condensatorului pe rezistenta de sarcina este mai scurt. Pe timpul unei perioade a tensiunii de retea condensatorul se incarca de doua ori. Deasemenea caderea de tensiune pe diode este 2UD0 deoarece in serie cu sarcina exista doua diode.

In tabelul 2 se dau parametrii reprezentativi pentru redresoarele monoalternanta si bialternanta prevazute cu filtru capacitiv.

Tabelul 2.

Tipul redresorului

Monoalternanta

Bialternanta cu priza

Bialternanta in punte

Puterea tipica a transf.

1,73PS

1,48PS

1,24PS

Tensiune in secundar

0,95US

0,9US

0,9US

Tensiune inversa pe dioda

2,4US

2,25US

1,13US

Curentul mediu prin dioda

1,0IS

0,51IS

0,51IS

Curentul in secundarul transf.

2,1IS

1,1IS

1,57IS

Valoarea condensatorului (mF)*

5Is/Ur

2Is/Ur

2Is/Ir

Tensiunea max. pe condens.

1,4US

1,41US

1,41US

Curentul max. la pornire (C in mF)

0,7CUS

0,7CUS

0,7CUS

Frecventa riplului

50Hz

100Hz

100Hz

*Ur reprezinta amplitudinea maxima a riplului adica a tensiunii alternative pe sarcina.


D. Partea experimentala
1. Se realizeaza schemele din fig.1.a, si fig. 2.a; pe planseta de lucru va fi realizat circuitul conform fig.5. Se studiaza cu ajutorul osciloscopului forma tensiunilor la iesirea transformatorului de retea si forma tensiunii pe sarcina.
2. Se conecteaza pe rind condensatoare de diferite valori in paralel cu RS ; se studiaza cu ajutorul osciloscopului forma tensiunilor la iesirea transformatorului si pe sarcina care se compara cu cele din cazul precedent. Se analizeaza forma tensiunii de riplu Ur.
3. Se traseaza caracteristicile Umed =Umed (Imed) si Ur=Ur (Imed) pentru patru situatii:
- redresare monoalternanta: capacitate de filtrare - 470µF
- 2200 µF
- redresare bialternanta: capacitate de filtrare - 470 µF
- 2200 µF
Curentul prin rezistorul de sarcina (prefereabil cutie cu rezistente) va fi modificat in limitele 0 - 100mA.
4. Utilizind relatia (15) se vor calcula valorile tensiunii de riplu Ur pentru citeva valori ale Imed si se vor compara cu valorile masurate in acele puncte.

Note:

· rezistenta de sarcina trebuie aleasa mai mare decit o valoare limita determinata de curentul maxim prin diode: RS>Us/Idmax. Atentie la puterea maxima suportata de rezistorul de sarcina;
· tensiunea inversa maxima a diodei se alege de cca. 3 ori mai mare decit tensiunea efectiva in secundarul transformatorului;
· caderea de tensiune pe o dioda cu siliciu se va considera UD0=0,6V.

Fig.5 Montaj experimental pentru studiul circuitelor de redresare si filtrare.