Conversia de la curent alternativ la curent continuu (Redresoare)

(O diodă redresor (comandat cu siliciu) și hardware asociat. Știftul greu filetat atașează dispozitivul la un radiator pentru a disipa căldura.)

Un redresor sau rectificator este un dispozitiv electric care convertește curentul alternativ (CA), care inversează periodic direcția, în curent continuu (CC), care curge într-o singură direcție. Procesul este cunoscut drept rectificare sau redresare, deoarece „rectifică” direcția curentului. Din punct de vedere fizic, redresoarele au o serie de forme, incluzând diodele cu tuburi vidate, supapele cu arc de mercur, stive de plăci de cupru și oxid de seleniu, diode semiconductoare, redresoare comandate cu siliciu și alte întrerupătoare cu semiconductoare pe bază de siliciu. Din punct de vedere istoric, s-au folosit chiar comutatoare electromecanice sincrone și motoare. Receptoarele radio timpurii, numite radiouri de cristal, au folosit niște „mustăți de pisică” de sârmă fină care apasă pe un cristal de galenă (sulfură de plumb) pentru a servi drept redresor de contact în puncte sau „detector cu cristal”.

Redresoarele au multe utilizări, dar cel mai adesea servesc drept componente ale surselor de alimentare de curent continuu și ale sistemelor de transmisie a curentului de înaltă tensiune. Rectificarea poate servi și în alte roluri decât pentru a genera curent direct pentru utilizarea ca sursă de energie. După cum am notat, detectoarele de semnale radio servesc drept redresoare. În sistemele de încălzire cu gaz rectificarea flăcării se folosește pentru a detecta prezența unei flăcări.

Datorită naturii alternante a undei sinusoidale de intrare CA, procesul de rectificare singur produce un curent CC care, deși unidirecțional, constă din impulsuri de curent. Multe aplicații ale redresoarelor, cum ar fi sursele de alimentare pentru radio, televiziune și echipamente informatice, necesită un curent continuu constant (ca cel produs de o baterie). În aceste aplicații ieșirea redresorului este netezită de un filtru electronic, care poate fi un condensator, un drosel sau un set de condensatoare, drosele și rezistoare, eventual urmate de un regulator de tensiune pentru a produce un curent constant.

Circuitul mai complex care efectuează funcția opusă, transformând CC în curent alternativ, se numește invertor.

Circuitele de redresor pot fi monofazate sau multifazate (trei faze fiind cel mai frecvent număr de faze). Majoritatea redresoarelor cu putere redusă pentru echipamentele casnice sunt monofazate, însă rectificarea trifazată este foarte importantă pentru aplicațiile industriale și pentru transmiterea energiei ca CC.

Redresoare pentru o singură fază

Remediere pentru jumătate de undă (monoalternanță)

În rectificarea unei jumătăți de undă a unei alimentări monofazate, denumită și circuit necontrolat monoalternanță, jumătatea pozitivă sau negativă a undei CA trece, în timp ce cealaltă jumătate este blocată. Din punct de vedere matematic, este o funcție de rampă (pentru pozitivă trece, negativă este blocată): trecerea pozitivă corespunde funcției rampă fiind corespondența pe intrările pozitive, blocarea negativă corespunde unei intrări zero sau negative. Deoarece numai o jumătate din forma de undă de intrare ajunge la ieșire, tensiunea medie este mai mică. Rectificarea unei jumătăți de undă necesită o singură diodă pe o alimentare cu o singură fază, sau trei diode la o alimentare trifazată. Redresoarele produc un curent direct unidirecțional dar pulsatoriu; redresoarele jumătate de undă produc mult mai multe pulsații decât redresoare de undă completă, și este nevoie de o filtrare mult mai bună pentru a elimina armonici de frecvență CA de la ieșire.

(Redresor jumătate de undă. )

Tensiunea de ieșire fără sarcină CC a unui redresor ideal pentru jumătate de undă pentru o tensiune de intrare sinusoidală este:

V_rms = V_peak/2

V_cc = V_peak/π

unde: V_cc, V_av – tensiunea de ieșire CC sau medie, VV_peak, valoarea maximă a tensiunilor de intrare fază, V_rms, valoarea medie pătrată a rădăcinii tensiunii de ieșire.

Redresoare pentru undă completă (bialternanță)

(Redresor bialternanță, cu tub vidat cu doi anozi.)

Redresorul pentru undă completă (bialternanță) convertește întreaga formă de undă de intrare într-o polaritate constantă (pozitivă sau negativă) la ieșirea sa. Din punct de vedere matematic, aceasta corespunde funcției valorii absolute. Redresorul pentru undă completă convertește ambele polarități ale formei de undă de intrare în CC pulsator (curent continuu) și oferă o tensiune medie de ieșire mai mare. Sunt necesare două diode și un transformator cu priză mediană, sau patru diode într-o configurație de punte, precum și orice sursă de curent alternativ (inclusiv un transformator fără priză mediană. Diodele semiconductoare simple, diodele duble cu catod comun sau anod comun și punțile cu patru diode sunt fabricate sub formă de componente unice.

(Redresor de punte Graetz: un redresor pentru undă completă folosind patru diode. )

Pentru un CA monofazat, în cazul în care transformatorul este cu priză mediană, atunci două diode spate-în-spate (catod-la-catod sau anod-la-anod, în funcție de polaritatea de ieșire necesară) pot forma un redresor pentru undă completă. Sunt necesare de două ori mai multe spire pe transformatorul secundar pentru a obține aceeași tensiune de ieșire decât pentru un redresor în punte, dar puterea nominală este neschimbată.

(Redresor cu undă completă cu ajutorul unui transformator cu priză mediană cu 2 diode. )

Tensiunile de ieșire medii și RMS fără sarcină ale unui redresor ideal cu o singură fază cu rectificare completă de undă sunt:

V_cc = V_av = 2·V_peak/π

V_rms = V_peak/√2

Tuburile vidate foarte frecvente cu redresoare cu diode duble conțineau un singur catod comun și doi anozi în interiorul unei singure anvelope, realizând o rectificare completă a undelor cu ieșire pozitivă.

Redresoare trifazate

Redresoarele pentru o singură fază sunt frecvent utilizate pentru alimentarea cu energie a echipamentelor casnice. Cu toate acestea, pentru cele mai multe aplicații industriale și de mare putere, circuitele trifazate cu redresor sunt norma. Ca și în cazul redresoarelor pentru o singură fază, redresoarele trifazate pot lua forma unui circuit pentru o singură fază, a unui circuit pentru fază completă, care utilizează un transformator cu priză mediană, sau un circuit cu punte cu undă completă.

Tiristoarele sunt utilizate în mod obișnuit în locul diodelor pentru a crea un circuit care poate regla tensiunea de ieșire. Multe dispozitive care asigură curent continuu generează de fapt curent trifazat. De exemplu, un alternator de automobile conține șase diode care funcționează ca un redresor pentru undă completă pentru încărcarea bateriei.

Filtrarea ieșirii redresorului

(Intrarea CA (galben) și ieșirea CC (verde) a unui redresor pentru jumătate de undă cu un condensator de filtrare. Notați pulsațiile în semnalul CC.)

Rectificarea pentru jumătate de undă și undă completă furnizează curent unidirecțional, dar nu produce o tensiune constantă. Există o componentă mare de tensiune pulsatorie de curent alternativ la frecvența sursei pentru un redresor pentru jumătate de undă și de două ori frecvența sursei pentru un redresor pentru undă completă. Tensiunea pulsatorie este de obicei specificată vârf-la-vârf. Producerea CC staționar dintr-o sursă de curent rectificat necesită un circuit de netezire sau un filtru. În forma sa cea mai simplă, acesta poate fi doar un condensator (numit și filtru, tampon sau condensator de netezire), un inductor, un rezistor, o diodă Zener și un rezistor, sau un regulator de tensiune amplasat la ieșirea redresorului. În practică, cele mai multe filtre de netezire utilizează mai multe componente pentru a reduce în mod eficient tensiunea pulsatorie la un nivel acceptabil pentru circuit.

(Redresor cu diode în punte pentru undă completă cu filtru șunt paralel RC.)

Condensatorul de filtrare eliberează energia stocată în timpul acelei părți a ciclului CA când sursa de curent alternativ nu furnizează nici o putere, adică atunci când sursa de curent alternativ își modifică direcția de curgere a curentului.