Gleichrichterschaltungen

Was ist eine Berichtigung?

Kommen wir nun zur beliebtesten Anwendung der Diode:Gleichrichtung . Gleichrichtung ist einfach definiert die Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC). Dabei handelt es sich um ein Gerät, das nur einen Stromfluss in eine Richtung ermöglicht. Wie wir gesehen haben, ist dies genau das, was eine Halbleiterdiode tut. Die einfachste Art von Gleichrichterschaltung ist die Halbwelle Gleichrichter. Es lässt nur eine Hälfte einer AC-Wellenform zur Last durch. (Abbildung unten)

Einweggleichrichterschaltung.

Halbwellenkorrektur

Für die meisten Leistungsanwendungen reicht die Einweggleichrichtung für diese Aufgabe nicht aus. Der Oberwellengehalt der Ausgangswellenform des Gleichrichters ist sehr groß und daher schwer zu filtern. Außerdem versorgt die Wechselstromquelle die Last bei jedem vollen Zyklus nur zur Hälfte mit Strom, was bedeutet, dass die Hälfte ihrer Kapazität ungenutzt ist. Die Einweggleichrichtung ist jedoch eine sehr einfache Möglichkeit, die Leistung einer ohmschen Last zu reduzieren. Einige Lampendimmerschalter mit zwei Stellungen legen die volle Wechselstromleistung an den Lampenfaden für „volle“ Helligkeit an und richten sie dann für eine geringere Lichtleistung durch eine Halbwellengleichrichtung aus. (Abbildung unten)

Einweggleichrichteranwendung:Zweistufiger Lampendimmer.

In der Schalterstellung „Dim“ erhält die Glühlampe etwa die Hälfte der Leistung, die sie normalerweise bei Vollwellen-Wechselstrom erhalten würde. Da die einweggleichgerichtete Leistung viel schneller pulsiert, als der Glühfaden Zeit zum Aufheizen und Abkühlen hat, blinkt die Lampe nicht. Stattdessen arbeitet sein Filament lediglich bei einer niedrigeren Temperatur als normal und bietet weniger Lichtleistung.

Dieses Prinzip, Strom schnell an ein langsam ansprechendes Lastgerät zu „pulsieren“, um die ihm zugeführte elektrische Leistung zu steuern, ist in der Welt der Industrieelektronik üblich. Da die Steuervorrichtung (in diesem Fall die Diode) zu jedem Zeitpunkt entweder vollständig leitend oder vollständig nichtleitend ist, führt sie bei der Steuerung der Lastleistung nur wenig Wärmeenergie ab, was diese Methode der Leistungssteuerung sehr energieeffizient macht. Diese Schaltung ist vielleicht die gröbste mögliche Methode, um Leistung an eine Last zu pulsieren, aber sie reicht als Proof-of-Concept-Anwendung aus.

Vollwellengleichrichter

Wenn wir den Wechselstrom korrigieren müssen, um die volle Nutzung von beiden zu erhalten Halbwellen der Sinuswelle muss eine andere Gleichrichterschaltungskonfiguration verwendet werden. Eine solche Schaltung nennt man Vollwelle Gleichrichter. Eine Art von Vollweggleichrichter, genannt Center-Tap verwendet einen Transformator mit einer mittig angezapften Sekundärwicklung und zwei Dioden, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Vollweggleichrichter, mittig angezapftes Design.

Positiver Halbzyklus

Die Funktionsweise dieser Schaltung ist leicht zu verstehen, eine Halbwelle nach der anderen. Betrachten Sie den ersten Halbzyklus, wenn die Polarität der Quellenspannung oben positiv (+) und unten negativ (-) ist. Zu diesem Zeitpunkt leitet nur die oberste Diode; die untere Diode blockiert den Strom und die Last „sieht“ die erste Hälfte der Sinuswelle, oben positiv und unten negativ. Nur die obere Hälfte der Sekundärwicklung des Transformators führt während dieser Halbwelle Strom, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Vollwellen-Mittelabgriffsgleichrichter:Die obere Hälfte der Sekundärwicklung leitet während der positiven Halbwelle des Eingangs und liefert eine positive Halbwelle an die Last.

Negativer Halbzyklus

Während der nächsten Halbwelle kehrt sich die AC-Polarität um. Jetzt führen die andere Diode und die andere Hälfte der Sekundärwicklung des Transformators Strom, während die Teile des Stromkreises, die früher während der letzten Halbwelle Strom führten, im Leerlauf sind. Die Last „sieht“ immer noch eine halbe Sinuswelle mit der gleichen Polarität wie zuvor:oben positiv und unten negativ. (Abbildung unten)

Vollwellen-Mittelabgriffsgleichrichter:Während der negativen Eingangshalbwelle leitet die untere Hälfte der Sekundärwicklung und liefert eine positive Halbwelle an die Last.

Nachteile des Vollweggleichrichterdesigns

Ein Nachteil dieser Vollweggleichrichterkonstruktion ist die Notwendigkeit eines Transformators mit einer mittig angezapften Sekundärwicklung. Handelt es sich bei der fraglichen Schaltung um eine Schaltung mit hoher Leistung, sind die Größe und die Kosten eines geeigneten Transformators erheblich. Folglich wird das Gleichrichterdesign mit Mittelanzapfung nur in Anwendungen mit geringer Leistung verwendet.

Andere Konfigurationen

Die Polarität des Vollwellen-Gleichrichters mit Mittenabgriff an der Last kann umgekehrt werden, indem die Richtung der Dioden geändert wird. Darüber hinaus können die umgekehrten Dioden mit einem vorhandenen Gleichrichter mit positivem Ausgang parallel geschaltet werden. Das Ergebnis ist ein zweipoliger Vollwellen-Gleichrichter mit Mittenabgriff in der Abbildung unten. Beachten Sie, dass die Konnektivität der Dioden selbst dieselbe Konfiguration wie eine Brücke hat.

Zweipoliger Vollwellen-Mittelabgriffsgleichrichter

Vollwellen-Brückengleichrichter

Es existiert ein weiteres, populäreres Design von Vollwellengleichrichtern, das um eine Vier-Dioden-Brückenkonfiguration herum aufgebaut ist. Aus offensichtlichen Gründen wird dieses Design als Vollwellenbrücke bezeichnet . (Abbildung unten)

Vollweg-Brückengleichrichter.

Die Stromrichtungen für die Vollwellen-Brückengleichrichterschaltung sind in der folgenden Abbildung für positive Halbwellen und in der folgenden Abbildung für negative Halbwellen der AC-Wellenform dargestellt. Beachten Sie, dass der Strom unabhängig von der Polarität des Eingangs in die gleiche Richtung durch die Last fließt. Das heißt, die negative Halbwelle der Quelle ist eine positive Halbwelle an der Last.

Der Stromfluss erfolgt durch zwei Dioden in Reihe für beide Polaritäten. Somit gehen in den Dioden zwei Diodenabfälle der Quellenspannung (0,72 =1,4 V für Si) verloren. Dies ist ein Nachteil im Vergleich zu einem Vollwellen-Center-Tap-Design. Dieser Nachteil ist nur bei Netzteilen mit sehr niedriger Spannung ein Problem.

Vollweg-Brückengleichrichter:Stromfluss für positive Halbwellen.

Vollweg-Brückengleichrichter:Stromfluss für negative Halbwellen.

Alternativer Vollwellen-Brückengleichrichter-Schaltplan

Das Erinnern an die richtige Anordnung von Dioden in einer Vollwellen-Brückengleichrichterschaltung kann für den neuen Elektronikstudenten oft frustrierend sein. Ich habe festgestellt, dass eine alternative Darstellung dieser Schaltung sowohl leichter zu merken als auch zu verstehen ist. Es ist genau die gleiche Schaltung, außer dass alle Dioden in einer horizontalen Position gezeichnet sind und alle in die gleiche Richtung "zeigen". (Abbildung unten)

Alternativer Layout-Stil für Vollwellen-Brückengleichrichter.

Mehrphasenversion mit alternativem Layout

Ein Vorteil, sich dieses Layout für eine Brückengleichrichterschaltung zu merken, besteht darin, dass es in Abbildung unten leicht zu einer mehrphasigen Version erweitert werden kann.

Dreiphasen-Vollweg-Brückengleichrichterschaltung.

Jede dreiphasige Leitung wird zwischen zwei Dioden angeschlossen:eine, um Strom zur positiven (+) Seite der Last zu leiten, und die andere, um Strom zur negativen (-) Seite der Last zu leiten.

Mehrphasige Systeme mit mehr als drei Phasen lassen sich leicht in ein Brückengleichrichterschema integrieren. Nehmen Sie zum Beispiel die sechsphasige Brückengleichrichterschaltung in der Abbildung unten.

Sechsphasen-Vollweg-Brückengleichrichterschaltung.

Wenn mehrphasiger Wechselstrom gleichgerichtet wird, überlappen sich die phasenverschobenen Pulse, um einen Gleichstrom zu erzeugen, der viel „glatter“ ist (weniger Wechselstromanteil hat) als der, der durch die Gleichrichtung von einphasigem Wechselstrom erzeugt wird. Dies ist ein entscheidender Vorteil in Hochleistungs-Gleichrichterschaltungen, bei denen die bloße physikalische Größe der Filterkomponenten unerschwinglich wäre, aber eine rauscharme Gleichstromleistung erhalten werden muss. Das Diagramm in der Abbildung unten zeigt die Zweiweggleichrichtung von Drehstrom.

Dreiphasiger Wechselstrom und dreiphasiger Vollweggleichrichterausgang.

Welligkeitsspannung

In jedem Fall der Gleichrichtung – einphasig oder mehrphasig – wird die Menge der Wechselspannung, die mit dem Gleichspannungsausgang des Gleichrichters vermischt wird, als Welligkeitsspannung bezeichnet . Da „reiner“ Gleichstrom das gewünschte Ziel ist, ist Welligkeitsspannung in den meisten Fällen unerwünscht. Wenn die Leistungspegel nicht zu hoch sind, können Filternetzwerke verwendet werden, um die Welligkeit der Ausgangsspannung zu reduzieren.

1-Puls-, 2-Puls- und 6-Puls-Einheiten

Manchmal wird auf die Gleichrichtungsmethode Bezug genommen, indem die Anzahl der ausgegebenen Gleichstrom-„Impulse“ für alle 360 ^o . gezählt wird der elektrischen "Rotation". Eine einphasige Einweg-Gleichrichterschaltung würde dann als 1-Impuls bezeichnet Gleichrichter, da er während eines vollständigen Zyklus (360 ^o ) der AC-Wellenform. Ein einphasiger Vollweggleichrichter (unabhängig von Design, Mittelanzapfung oder Brücke) würde als 2-Puls bezeichnet Gleichrichter, da er während eines Wechselstromzyklus zwei Gleichstromimpulse ausgibt. Ein dreiphasiger Vollweggleichrichter würde als 6-Puls bezeichnet Einheit.

Gleichrichterschaltungsphasen

Moderne Konventionen der Elektrotechnik beschreiben die Funktion einer Gleichrichterschaltung weiter, indem eine Dreifeldnotation von Phasen verwendet wird , Wege , und Anzahl der Impulse . Eine einphasige Einweg-Gleichrichterschaltung erhält die etwas kryptische Bezeichnung 1Ph1W1P (1 Phase, 1 Weg, 1 Impuls), was bedeutet, dass die AC-Versorgungsspannung einphasig ist, also der Strom auf jeder Phase der AC-Versorgungsleitungen sich nur in eine Richtung (Weg) bewegt und dass pro 360 ^o . ein einzelner Gleichstromimpuls erzeugt wird der elektrischen Drehung.

Eine einphasige Vollwellen-Gleichrichterschaltung mit Mittelanzapfung würde in diesem Notationssystem als 1Ph1W2P bezeichnet:1 Phase, 1 Stromrichtung oder -richtung in jeder Wicklungshälfte und 2 Impulse oder Ausgangsspannung pro Zyklus.

Ein einphasiger Vollwellen-Brückengleichrichter würde als 1Ph2W2P bezeichnet:Das gleiche wie beim Design mit Mittelanzapfung, außer Strom, kann beide gehen Wege durch die Wechselstromleitungen statt nur in eine Richtung.

Die zuvor gezeigte dreiphasige Brückengleichrichterschaltung würde als 3Ph2W6P-Gleichrichter bezeichnet.

Ist es möglich, mehr Impulse als die doppelte Anzahl von Phasen in einer Gleichrichterschaltung zu erhalten?

Die Antwort auf diese Frage lautet ja:insbesondere in mehrphasigen Schaltungen. Durch den kreativen Einsatz von Transformatoren können Sätze von Vollweggleichrichtern so parallel geschaltet werden, dass mehr als sechs Gleichstromimpulse für drei Wechselstromphasen erzeugt werden. 30 ^o Phasenverschiebung wird von der Primär- zur Sekundärseite eines Dreiphasentransformators eingeführt, wenn die Wicklungskonfigurationen nicht vom gleichen Typ sind.

Mit anderen Worten, ein Transformator, der entweder mit Y-Δ oder Δ-Y verbunden ist, weist diese 30 ^o . auf Phasenverschiebung, während ein Transformator Y-Y oder Δ-Δ angeschlossen ist, nicht. Dieses Phänomen kann ausgenutzt werden, indem ein über Y-Y angeschlossener Transformator einen Brückengleichrichter speist und ein anderer über Y-Δ angeschlossener Transformator einen zweiten Brückengleichrichter speist und dann die DC-Ausgänge beider Gleichrichter parallel schalten. (Abbildung unten)

Da die Welligkeitsspannungswellenformen der Ausgänge der beiden Gleichrichter um 30 ^o . phasenverschoben sind voneinander, führt ihre Überlagerung zu einer geringeren Welligkeit als jeder der Gleichrichterausgänge separat betrachtet:12 Impulse pro 360 ^o statt nur sechs:

Mehrphasen-Gleichrichterschaltung:3-Phasen 2-Wege 12-Puls (3Ph2W12P)

RÜCKBLICK:

• Berichtigung ist die Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC).
• Eine Halbwelle Gleichrichter ist eine Schaltung, die es zulässt, dass nur eine Halbwelle der Wechselspannungswellenform an die Last angelegt wird, was zu einer nicht wechselnden Polarität über sie führt. Der resultierende Gleichstrom, der an die Last geliefert wird, „pulsiert“ erheblich.
• Eine Vollwelle Gleichrichter ist eine Schaltung, die beide Halbwellen der Wechselspannungswellenform in eine ununterbrochene Reihe von Spannungsimpulsen der gleichen Polarität umwandelt. Der resultierende Gleichstrom, der an die Last geliefert wird, „pulsiert“ nicht so stark.
• Mehrphasiger Wechselstrom ergibt, wenn er gleichgerichtet wird, eine viel „glattere“ Gleichstromwellenform (weniger Welligkeit Spannung) als gleichgerichteter einphasiger Wechselstrom.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für Gleichrichtungsdioden