Redresoare Si Stabilizatoare

Pentru alimentarea aparaturii electronice sunt necesare surse de energie de curent continuu. Aceste surse pot fi surse chimice (baterii galvanice, acumulatoare) sau redresoare.

Prin redresor se înțelege un circuit electronic capabil să transforme energia electrică de curent continuu. Alimentarea redresoarelor se face de obicei de la rețeaua de energie electrică. Redresoarele de puteri mici (pană la 1 kw) se alimentează in curent alternativ monofazat, iar cele de puteri mari se alimentează in curent alternativ trifazat.

Dintre elementele componente ale redresorului, cele electronice trebuie sa aibă proprietatea de a conduce unilateral, respectiv sa prezinte o caracteristică pronunțat neliniară și să funcționeze in regim neliniar. Se pot folosi diode cu vid (kenotroane), diode semiconductoare, tiratroane,tiristoare etc.

Schema bloc a unui redresor (fig. 1) conține următoarele elemente (pornind de la sursa de energie alternativă – de obicei rețeaua electrică):

– transformatorul de rețea, cu ajutorul căruia se obține in secundar valoarea tensiunii alternative ce trebuie redresata;

– elementul redresor, cu proprietăți de conducție unilaterala, la ieșirea căruia se obține o tensiune (de un singur sens) pulsatorie;

– filtrul de netezire, cu rolul de a micșora pulsațiile tensiunii redresate, redând o tensiune de forma cât mai apropiată de cea continuă;

– rezistența de sarcină, pe care se obține tensiunea continuă.

În anumite cazuri, această schemă bloc poate fi completată cu un etaj suplimentar de stabilizare si de reglare a tensiunii continue obținute. Sunt de asemenea, cazuri in care unele elemente ale schemei pot lipsi: de exemplu, poate lipsi transformatorul de rețea sau,in cazul unor instalații industriale care funcționează cu tensiunea pulsatorie, poate lipsi filtrul de netezire.

Fig. 1. Schema bloc a unui redresor

sursa de curent alternativ (rețeaua);

transformatorul; c- elementul redresor;

filtrul; e- sarcina pe care se obține tensiunea continuă.

B. Clasificarea redresoarelor

Redresoarele se pot clasifica după următoarele criterii:

după tipul tensiunii alternative redresate (numărul de faze):

– redresoare monofazate;

– redresoare polifazate (de obicei trifazate);

după numărul de alternanțe ale curentului alternativ pe care le redresează:

– redresoare monoalternanță;

– redresoare bialternanță;

după posibilitatea controlului asupra tensiunii redresate:

– redresoare necomandate;

– redresoare comandate sau reglabile;

după natura sarcinii

– redresoare cu sarcină rezistivă (R);

– redresoare cu sarcină inductive (RL);

– redresoare cu sarcină capacitive (RC).

In cele ce urmează ,se vor examina redresoarele necomandate, cu sarcina rezistivă, având ca elemente redresoare diodele semiconductoare.

REDRESOARE MONOFAZATE

Aceste redresoare se folosesc pentru puteri medii (sute de wați). Ele pot fi atât monoalternanță, cât si bialternanță.

Redresorul monofazat monoalternanță

Schema electrică a acestui tip de redresor este redată in figura 2, a. Funcționarea

are loc astfel:la aplicarea unei tensiuni alternative in primar, ia naștere în secundar tot o tensiune alternativa, ce se aplica pe anodul diodei redresoare. Pe durata alternanțelor pozitive dioda conduce, in circuit apare un curent proporțional cu tensiunea aplicată, deci având aceeași formă cu ea. Pe durata alternanțelor negative, dioda este blocată si curentul prin circuit este nul. Curentul prin sarcină circulă deci dintr-un singur sens, sub forma unor alternanțe (curent pulsatoriu).

Fig. 1.2. Redresor monofazat monoalternanța cu sarcina rezistiva;

schema electrică; b- forma de undă a tensiunii redresate.

În cazul acestui tip de redresor, valoarea factorului de ondulație este:

====1,57

Valoarea randamentului devine:

Tensiunea inversa maximă este:

Uinv max = Uim

Redresorul monofazat dublă alternanță cu transformatorul cu priză mediană

În figura 1.3,a este redată schema electrică a unui redresor dublă alternanță, la care tensiunea de alimentare se aplica printr-un transformator având un secundar cu priză mediană legată la masă. Se observă că schema conține două redresoare monoalternanță, formate din; – înfășurarea L’2, D1, Rs;

– înfășurarea L’’2, D2, Rs.

Datorită modului in care sunt conectate înfășurările secundare, tensiunile la bornele celor două secțiuni variază în antifază. La apariția alternanței pozitive la înfășurarea L’2, dioda D1 este polarizată direct,conduce și determină apariția curentului i’A care străbate rezistența de sarcină Rs in sensul indicat pe figură.

Figura 1.3. Redresor monofazat dublă alternanță folosind transformator cu priză mediană și sarcină rezistiva: a- schema electrica; b- forma de unda tensiunii redresate.

În acest interval, in înfășurarea L”2 fiind aplicată alternanța negativă, dioda D2 este polarizată invers si curentul prin circuitul ei este nul.

Când se aplică alternanța negativă pe L’2, dioda D1 se blochează și respectiv, apărând alternanța pozitivă pe L”2, dioda D2 conduce. În circuitul ei apare curentul i”A ce străbate Rs in sensul din figură, sens care coincide cu cel al curentului i’A. În felul acesta, la bornele sarcinii apare o tensiune de forma indicată in figura 1.2., b.

O altă îmbunătățire o constituie valoarea randamentului redresorului, care in acest caz devine:

deci dublă fată de cazul redresorului monoalternanță. Tensiunea inversă maximă rezultă, pentru dioda blocată, din însumarea intre valoarea tensiunii negative aplicate pe anodul său de către transformator și tensiunea pozitivă aflată la bornele rezistenței de sarcină, deci pe catodul diodei blocate. Deci, în acest caz:

Uinv max=2Uim

Se observă avantajele redresorului dubla alternanță, constând intr-o formă de undă mai apropiată de cea continuă si un randament de valoare dublă, dar și dezavantajele sale, constând intr-o schemă mai complicată si mai costisitoare ( secundar cu priză mediană, două diode redresoare ), ca și in condițiile mai severe impuse diodelor redresoare in privința tensiunii inverse maxim admise.

Redresorul monofazat dublă alternanță, în montaj de tip punte

Schema ce oferă avantajele redresorului anterior, evitând dezavantajele lui, este

cea a unui redresor monofazat dublă alternanță in punte (fig 1.4.).

Cele patru diode redresoare folosite formează brațele unei punți, la care alimentarea în curent alternativ se face printr-o diagonală, de la secundarul unui transformator, iar tensionarea redresată se culege la bornele unei rezistențe plasate in cea de-a doua diagonală.

Funcționarea redresorului este următoarea: in timpul aplicării alternanței pozitive la o extremitate a secundarului transformatorului, conduc diodele D1 si D3, care sunt polarizate direct, determinând un curent i’A in rezistența Rs, iar diodele D2 si D4 fiind invers polarizate, sunt blocate.

La apariția celei de-a doua alternanțe, D1 si D3 sunt blocate, pe când D2 si D4 conduc, determinând apariția curentului iA ce străbate in același sens rezistența de sarcină Rs. Se observă că forma tensiunii redresate este aceeași ca și în cazul redresorului folosind un transformator cu priză mediană, tensiunea inversă maximă pentru fiecare diodă fiind însă Uim ca si în cazul redresorului monoalternanță.

Dezavantajele acestui montaj constau în numărul mărit de diode folosite ( patru ) si necesitatea unei bune izolări fată de restul elementelor a capătului nelegat la masă al rezistenței de sarcină Rs

Figura 1.4. Redresor monofazat dublă alternanță in punte având sarcină

rezistivă: a- schema electrică; b- forma de undă a tensiunii redresa

Desfășurarea lucrării

Realizați montajul din figură fără condensator.

Conectați sondele osciloscopului în punctele AB și CD.

Măsurați amplitudinile semnalelor.

Desenați formele de undă.

Conectați condensatorul între bornele EF și măsurați U2.

Desenați forma de undă obținută.

Proiect

Proiectați un stabilizator pentru o sursă de alimentare a cărui consum al sarcinii variază între 20 și 200mA la 9V, alimentarea efectuându-se de la rețeaua de c.a., care poate avea variații de tensiune de (-15… 10)% din tensiunea nominală.

I. Se va proiecta stabilizatorul din montajul cu schema de principiu din figura de mai jos:

+

Montajul este format din transformatorul Tr, un redresor dublă alternanță cu priză mediană, un filtru capacitiv și un stabilizator cu reacție serie.

Tensiunea furnizată de transformatorul Tr, cu priză mediană, de 2x12Uef, este redresată prin intermediul diodelor D1, D2, de tip 1N4001. Rezistorul R1 = 1 limitează vârfurile de curent care pot apărea datorită capacității C1= 500F. Tensiunea de ondulație este redusă prin intermediul filtrului R2 – C2 (2,4 – 500F).

Dioda stabilizatoare DZ este alimentată prin rezistorul R3, care asigură și polarizarea bazei tranzistorului T.

1. Se determină tensiunea minimă la intrarea stabilizatorului, necesară funcționării normale, (în cazul tensiunii de rețea minime și a curentului de sarcină maxim),din condiția impusă tranzistorului serie să nu intre în regiunea de saturație.

Uimin = ( U0 (Uce))V = ( U0 (4…6))V =9 5 =14V.

Ținând seama de plaja de valori admisă pentru variația tensiunii rețelei, printr-o regulă de trei simplă se determină atât tensiunea nominală cât și tensiunea maximă care se aplică la intrarea stabilizatorului:

Ui= 16V și UiMax= 18V.

2. Se estimează căderea de tensiune și puterea maximă disipată pe tranzistorul serie:

UCEMax = UiMax – U0 = 18 – 9 = 9V.

PDMax = (UiMax – U0)I0Max = ( 18 – 9) 0,2 = 1,8W.

Se alege tranzistorul BD 135 cu caracteristicile:

IcMax = 1,5A , h21E =45…95, Ptot= 12,5W.

3. Se determină tensiunea necesară diodei Zener DZ, aplicând legea a II-a a lui Kirchhoff pe ochiul de ieșire:

Uz = U0 – uBE = 9V – 0,6V = 8,4V.

4. Se calculează rezistența R3 , de polarizare a diodei Zener și a bazei tranzistorului (pentru a se asigura curentul minim prin diodă Izm și curentul de comandă al bazei tranzistorului IB), pentru două categorii de diode Zener:

pentru diode Zener de mică putere (Pmax = 0,3W, Izm= 2…5mA, de exemplu DZ2V7…DZ15). Se consideră dioda DZ10 cu caracteristicile: Uzm=9,4V; UzT=10V; IzT= 5mA; IzM=28mA.

Se alege R3 = 430± 5%.

pentru diode Zener de 1…5W, cu Izm = 5…30mA (PL3V3Z….PL200Z; 4DZ10…180); se consideră dioda PL10V1Z, cu caracteristicile: Uzm = 9,4V; UzT =10V; IzT = 50mA; IzM = 94mA.

Se alege R3 = 300± 5%.

5. Se calculează curentul maxim prin dioda Zener, IzM, și puterea disipată de aceasta (când tensiunea la intrarea stabilizatorului are valoarea maximă UiMax) pentru cele două situații menționate la punctul anterior:

pentru dioda Zener de putere mică:

Pdz = UzT . IzMax = 10. 0,020 = 200mW PzM

pentru dioda Zener de putere:

IzMax = 28mA IzM

Pdz = 280mW PzM.

6. Se alege tipul de diodă Zener în funcție de Uz și de IzM.

Având în vedere că în ambele situații de mai sus curentul maxim și puterea disipată de diodă nu depășesc valorile limită din catalog, se alege dioda de putere mai mică (în criteriul de alegere intrând și costul diodei).

Se alege dioda DZ10.

Se determină pe caracteristica acerstei diode curentul minim de polarizare și rezistența diferențială RzT.

Se corectează printr-un calcul exact mărimile R3 și IzM, ținând seama de caracteristica diodei Zener.

7. Se calculează limitele până la care schema propusă stabilizează.

Schema stabilizează atâta timp cât tensiunea la bornele diodei Zener rămâne constantă și egală cu UzT; această tensiune este constantă atâta timp cât prin diodă trece un curent superior celui de cot , adică peste 2…4mA.

Curentul, Iz, prin dioda Zener scade până sau sub valoarea Izm din două cauze:

a)tensiunea la intrarea stabilizatorului, Ui este prea mică :

– la Ui = Uim = 14V :

și

Iz = I1 – IB = 10 – 5 =5mA;

rezultă că în această situație dioda Zener este străbătută de un curent suficient pentru ca să funcționeze normal.

b)consumul de curent de ieșire este prea mare:

Creșterea curentului de sarcină peste 200mA conduce la același efect: la curenți mari de colector, curentul de bază al tranzistorului serie crește mult, nu numai din această cauză ci și din cauza scăderii parametrului h21E. Astfel, pentru tranzistoare de putere cu h21E mic, IB poate depăși Iz, făcând ca prin diodă să nu mai treacă curentul minim de stabilizare.

Observație: Pentru rezolvarea acestei probleme se poate folosii, fie o diodă Zener de putere, fie un tranzistor cu parametrul h21E mai mic. O altă soluție este utilizarea unui montaj Darlington în locul tranzistorului Q.

Grupa1 : Proiectați un stabilizator pentru o sursă de alimentare a cărui consum al sarcinii variază între 20 și 150mA la 8V, alimentarea efectuându-se de la rețeaua de c.a., care poate avea variații de tensiune de (-15… 10)% din tensiunea nominală.

Grupa2 : Proiectați un stabilizator pentru o sursă de alimentare a cărui consum al sarcinii variază între 20 și 150mA la 10V, alimentarea efectuându-se de la rețeaua de c.a., care poate avea variații de tensiune de (-15… 10)% din tensiunea nominală.

Grupa3 : Proiectați un stabilizator pentru o sursă de alimentare a cărui consum al sarcinii variază între 20 și 150mA la 12V, alimentarea efectuându-se de la rețeaua de c.a., care poate avea variații de tensiune de (-15… 10)% din tensiunea nominală.

Grupa4 : Proiectați un stabilizator pentru o sursă de alimentare a cărui consum al sarcinii variază între 20 și 250mA la 8V, alimentarea efectuându-se de la rețeaua de c.a., care poate avea variații de tensiune de (-15… 10)% din tensiunea nominală.

Grupa5 : Proiectați un stabilizator pentru o sursă de alimentare a cărui consum al sarcinii variază între 20 și 250mA la 10V, alimentarea efectuându-se de la rețeaua de c.a., care poate avea variații de tensiune de (-15… 10)% din tensiunea nominală.

Grupa6 : Proiectați un stabilizator pentru o sursă de alimentare a cărui consum al sarcinii variază între 20 și 250mA la 12V, alimentarea efectuându-se de la rețeaua de c.a., care poate avea variații de tensiune de (-15… 10)% din tensiunea nominală.