Gleichrichter-/Filterschaltung

TEILE UND MATERIALIEN

• Niederspannungs-Wechselstromversorgung
• Brückengleichrichterpaket (Radio Shack Katalog Nr. 276-1185 oder gleichwertig)
• Elektrolytkondensator, 1000 µF, mindestens 25 WVDC (Radio Shack Katalog # 272-1047 oder gleichwertig)
• Vier "Bananen"-Klinkenbuchsen oder andere Terminal-Hardware zum Anschluss an die Potentiometerschaltung (Radio Shack-Katalog Nr. 274-662 oder gleichwertig)
• Metallbox
• 12-Volt-Glühbirne, 25 Watt
• Lampenfassung

HINWEISE ZU TEILEN UND MATERIALIEN

Ein Brückengleichrichter-"Pack" wird dem Aufbau einer Brückengleichrichterschaltung aus einzelnen Dioden dringend empfohlen, da solche "Packs" auf einen Metallkühlkörper geschraubt werden. Eine Metallbox wird gegenüber einer Kunststoffbox empfohlen, da sie als Kühlkörper für den Gleichrichter fungieren kann.

In diesem Experiment kann ein größerer Kondensatorwert verwendet werden, solange seine Arbeitsspannung hoch genug ist. Wählen Sie sicherheitshalber einen Kondensator mit einer Nennbetriebsspannung von mindestens dem Doppelten des RMS-Wechselspannungsausgangs des Niederspannungs-Wechselstromnetzteils.

12-Volt-Lampen mit hoher Leistung können in einem Geschäft für Freizeitfahrzeuge (RV) und Bootszubehör erworben werden. Gängige Größen sind 25 Watt und 50 Watt. Diese Lampe wird als „schwere“ Last für die Stromversorgung verwendet.

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 2, Kapitel 8:„Filter“

LERNZIELE

• Kapazitive Filterfunktion in einem AC/DC-Netzteil
• Bedeutung von Kühlkörpern für Leistungshalbleiter

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Dieses Experiment beinhaltet den Aufbau einer Gleichrichter- und Filterschaltung zum Anschließen an das zuvor konstruierte Niederspannungs-Wechselstromnetzteil. Mit diesem Gerät verfügen Sie über eine Niederspannungs-Gleichstromquelle, die als Ersatz für eine Batterie in batteriebetriebenen Experimenten geeignet ist.

Wenn Sie dieses Gerät zu einer eigenen, autarken 120VAC/DC-Stromversorgung machen möchten, können Sie alle Komponenten der Niederspannungs-AC-Versorgung auf der „AC-In“-Seite dieses Stromkreises hinzufügen:einen Transformator, ein Netzkabel, und Stecker. Selbst wenn Sie sich nicht dafür entscheiden, empfehle ich die Verwendung eines Metallkastens, der größer als nötig ist, um Platz für zusätzliche Spannungsregelungsschaltungen zu schaffen, die Sie diesem Projekt später hinzufügen möchten.

KONSTRUKTION DES GLEICHRICHTERTEILS

Die Brückengleichrichtereinheit sollte für einen Strom ausgelegt werden, der mindestens so hoch ist wie die Sekundärwicklung des Transformators, und für eine Spannung, die mindestens doppelt so hoch ist wie die Effektivspannung des Transformatorausgangs (dies ermöglicht Spitzenspannung zuzüglich einer zusätzlichen Sicherheitsabstand). Der in der Teileliste angegebene Gleichrichter von Radio Shack ist für 25 Ampere und 50 Volt ausgelegt, mehr als genug für die Leistung des im Kapitel AC-Experimente angegebenen Niederspannungs-AC-Netzteils.

Gleichrichtereinheiten dieser Größe sind oft mit „Schnelltrennklemmen“ ausgestattet. Es werden kostenlose Kabelschuhe mit Schnelltrennfunktion verkauft, die auf die blanken Enden eines Drahtes gecrimpt werden.

Dies ist die bevorzugte Methode der Terminalverbindung. Sie können Drähte direkt an die Anschlussfahnen des Gleichrichters löten, ich empfehle jedoch aus zwei Gründen vom direkten Löten an Halbleiterbauteile:mögliche Hitzeschäden beim Löten und Schwierigkeiten beim Austausch des Bauteils im Fehlerfall.

Halbleiterbauelemente sind anfälliger für Fehler als die meisten der bisher in diesen Experimenten behandelten Komponenten. Wenn Sie also die Absicht haben, eine Schaltung dauerhaft zu machen, sollten Sie sie so bauen, dass sie gewartet wird. „Wartbare Konstruktion“ beinhaltet unter anderem, alle empfindlichen Komponenten austauschbar zu machen.

Es bedeutet auch, den Messfühlern im gesamten Stromkreis „Testpunkte“ zugänglich zu machen, damit die Fehlersuche mit einem Minimum an Unannehmlichkeiten durchgeführt werden kann. Klemmenleisten bieten von Natur aus Testpunkte für Spannungsmessungen und ermöglichen auch ein einfaches Trennen von Drähten, ohne die Haltbarkeit der Verbindung zu beeinträchtigen.

Schrauben Sie die Gleichrichtereinheit an die Innenseite des Metallkastens. Die Oberfläche der Box fungiert als Kühler und hält die Gleichrichtereinheit kühl, wenn sie hohe Ströme durchlässt.

Jede metallische Kühleroberfläche, die dazu dient, die Betriebstemperatur eines elektronischen Bauteils zu senken, wird als Kühlkörper bezeichnet . Halbleiterbauelemente sind im Allgemeinen anfällig für Schäden durch Überhitzung, daher ist es sehr wichtig, einen Weg für die Wärmeübertragung von dem/den Bauteil(en) an die Umgebungsluft bereitzustellen, wenn der fragliche Stromkreis große Strommengen verarbeiten kann.

KONSTRUKTION DES FILTERTEILS

Ein Kondensator ist in der Schaltung enthalten, um als Filter zu fungieren um die Brummspannung zu reduzieren. Stellen Sie sicher, dass Sie den Kondensator richtig an die DC-Ausgangsklemmen des Gleichrichters anschließen, damit die Polaritäten übereinstimmen.

Als Elektrolytkondensator ist er empfindlich gegen Beschädigung durch Verpolung. Gerade in dieser Schaltung, wo der Innenwiderstand von Transformator und Gleichrichter gering ist und der Kurzschlussstrom folglich hoch ist, ist das Schadenspotential groß.

Warnung: ein ausgefallener Kondensator in diesem Stromkreis wird wahrscheinlich mit alarmierender Wucht explodieren!

DEN SCHALTKREIS TESTEN

Nachdem die Gleichrichter-/Filterschaltung aufgebaut ist, schließen Sie sie wie folgt an die Niederspannungs-Wechselstromversorgung an:

Messen Sie die Wechselspannung, die vom Niederspannungsnetzteil ausgegeben wird. Ihr Messgerät sollte ungefähr 6 Volt anzeigen, wenn der Stromkreis wie abgebildet angeschlossen ist.

Diese Spannungsmessung ist die Effektivspannung des AC-Netzteils. Schalten Sie nun Ihr Multimeter auf die Gleichspannungsfunktion und messen Sie die Gleichspannungsausgabe der Gleichrichter-/Filterschaltung.

Sie sollte wesentlich höher sein als die zuvor gemessene RMS-Spannung des AC-Eingangs. Die Filterwirkung des Kondensators liefert eine DC-Ausgangsspannung gleich der Spitze Wechselspannung, daher die größere Spannungsanzeige:

Messen Sie die Größe der AC-Welligkeitsspannung mit einem digitalen Voltmeter, das auf AC-Volt (oder AC-Millivolt) eingestellt ist. Sie sollten eine viel kleinere Welligkeitsspannung in dieser Schaltung feststellen als die, die in jeder der zuvor gebauten ungefilterten Gleichrichterschaltungen gemessen wurde.

Fühlen Sie sich frei, Ihren Audiodetektor zu verwenden, um die von der Gleichrichter-/Filtereinheit ausgegebene AC-Welligkeitsspannung zu „hören“. Schließen Sie wie üblich einen kleinen „Kopplungs“-Kondensator in Reihe mit dem Detektor an, damit dieser nicht auf die Gleichspannung, sondern nur auf die Wechselspannung reagiert.

Es sollte nur sehr wenig Ton zu hören sein. Schließen Sie die 25-Watt-Glühbirne nach der Messung der unbelasteten AC-Welligkeitsspannung wie folgt an den Ausgang der Gleichrichter-/Filterschaltung an:

Die zwischen den „DC out“-Klemmen der Gleichrichter-/Filtereinheit vorhandene Welligkeitsspannung erneut messen. Bei hoher Last entlädt sich der Siebkondensator zwischen gleichgerichteten Spannungsspitzen, was zu einer größeren Welligkeit als zuvor führt:

WELLIGKEIT REDUZIEREN

Wenn unter Schwerlastbedingungen weniger Welligkeit erwünscht ist, kann ein größerer Kondensator verwendet werden oder eine komplexere Filterschaltung mit zwei Kondensatoren und einer Induktivität aufgebaut werden:

Wenn Sie sich für den Aufbau einer solchen Filterschaltung entscheiden, verwenden Sie unbedingt eine Induktivität mit Eisenkern für maximale Induktivität und eine mit ausreichend dickem Draht, um den vollen Nennstrom der Stromversorgung sicher zu handhaben. Induktivitäten, die zum Filtern verwendet werden, werden manchmal als Drosseln bezeichnet weil sie die Wechselstrom-Welligkeitsspannung daran „drosseln“, die Last zu erreichen.

Wenn keine geeignete Drossel erhältlich ist, kann die Sekundärwicklung eines Abwärtstransformators verwendet werden, wie er zum Herunterstufen von 120 Volt Wechselstrom auf 12 oder 6 Volt Wechselstrom in der Niederspannungsstromversorgung verwendet wird. Lassen Sie die Primärwicklung (120 Volt) offen:

COMPUTER-SIMULATION

Schema mit SPICE-Knotennummern:

Netzliste (erstellen Sie eine Textdatei mit dem folgenden Text, wörtlich):

Vollwellengleichrichter v1 1 0 sin(0 8.485 60 0 0) rload 2 3 10k c1 2 3 1000u ic=0 d1 3 1 mod1 d2 1 2 mod1 d3 3 0 mod1 d4 0 2 mod1 .model mod1 d .tran .5m 25m .plot tran v(1,0) v(2,3) .end 

Sie können den Wert von R_load . verringern in der Simulation von 10 kΩ auf einen niedrigeren Wert, um die Auswirkungen der Belastung auf die Welligkeitsspannung zu untersuchen. Wie bei einem 10 kΩ Lastwiderstand ist die Welligkeit in der von SPICE aufgezeichneten Wellenform nicht erkennbar.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt für grundlegende AC-DC-Netzteile