STUDIUL UNEI SURSE DE CURENT CONTINUU

1. Consideratii teoretice

Sursa de curent continuu sau alimentatorul de curent continuu reprezinta un circuit electronic care transforma energia electrica alternativa de la retea in tensiune continua fixa sau variabila. Schema bloc a unui asemenea alimentator este data in figura 1.

Sursa de curent continuu se compune dintr-un transformator (Tr), un redresor (R), un filtru (F) si un stabilizator de tensiune continua (STC). În absenta stabilizatorului, alimentatorul se numeste sursa de tensiune continua nestabilizata, iar in prezenta stabilizatorului se numeste sursa de tensiune continua stabilizata.

Fig. 1. Schema bloc a unui alimentator de curent continuu.

Transformatorul are rolul de a separa de retea aparatul electronic alimentat de sursa de tensiune continua. În acelasi timp, transformatorul modifica tensiunea retelei (in general U_p=220 V) la valoarea necesara (U₂) pentru a obtine o anumita tensiune continua.

Redresorul este un circuit care contine cel putin un element neliniar capabil sa transforme tensiunea alternativa intr-o forma de unda cu componenta continua diferita de zero. Pe langa componenta continua, la iesirea redresorului se obtine si o componenta variabila numita ondulatie. Redresoarele pot fi monofazate sau trifazate. În lucrarea de fata se vor studia numai redresoarele monofazate. Exista in general doua tipuri de redresoare monofazate: monoalternanta si bialternanta.

Redresorul monofazat monoalternanta se realizeaza de obicei cu o singura dioda semiconductoare redresoare. În Fig. 2 este prezentata schema unui redresor monofazat monoalternanta. Tensiunea alternativa a retelei are expresia:

(1)

iar tensiunea din secundarul transformatorului va fi:

(2)

Raportul de transformare ale transformatorului este

(3)

unde N₁ si N₂ reprezinta numarul de spire din primarul si secundarul transformatorului.

a) b)

Fig. 2. a) Schema redresorului monoalternanta;

b) Diagrama de variatie in timp a tensiunii de sarcina.

În semiperioada pozitiva dioda conduce, iar in semiperioada negativa dioda este blocata.

Tensiunea continua redresata U₀ se defineste ca valoarea medie pe o perioada T a tensiunii pe rezistenta de sarcina U(t):

(4)

unde R_i este rezistenta totala a diodei si a secundarului transformatorului.

Eficienta redresarii este caracterizata de factorul de ondulatie definit ca:

(5)

unde U₁ este amplitudinea armonicii de frecventa minima.

(6)

Ca urmare factorul de ondulatie devine:

(7)

O redresare buna este caracterizata de un factor de ondulatie mic. Din acest punct de vedere redresorul monoalternanta prezinta o eficienta redusa.

Schema de baza a redresorului dubla alternanta cu doua diode redresoare este data in Fig. 3a. Principiul de functionare este simplu: in fiecare semiperioada conduce cate o dioda in functie de polaritatea de la bornele transformatorului, cealalta fiind blocata. Acest fapt este ilustrat in Fig. 3b.

Tensiunea continua redresata in acest caz este:

(8)

avand o valoare dubla fata de cea a redresorului monoalternanta. Frecventa minima a tensiunii de sarcina este w w, iar amplitudinea armonicii de frecventa minima rezulta din integrale:

(9)

În acest caz factorul de ondulatie devine:

(10)

ceea ce evidentiaza o eficacitate sporita a redresarii in acest caz fata de cel al redresarii monoalternanta.

a) b)

Fig. 3. a) Redresor bialternanta cu doua diode;

b) Diagrama de variatie in timp a tensiunii de sarcina.

Redresarea bialternanta a tensiunii alternative poate fi realizata de asemenea si cu o punte redresoare. Schema de principiu a acestui redresor in punte este redata in Fig. 4. Pe durata alternantei pozitive a tensiunii furnizate de transformatorul de retea 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 prin rezistorul de sarcina R_S are tot timpul acelasi sens iar tensiunea pe sarcina este mereu pozitiva (Fig. 4b).

a) b)

Fig. 4. a) Redresor bialternanta in punte;

b) Diagrama de variatie in timp a tensiunii de sarcina.

Filtrul are rolul de a reduce ondulatiile tensiunii redresate. Tensiunea ce se obtine la iesirea filtrului, deci tensiunea furnizata de sursa nestabilizata, este dependenta de tensiunea de intrare, U_p, de rezistenta se sarcina, R_S, si de temperatura. Filtrele de netezire sunt filtre trece jos care atenueaza pulsatiile tensiunii redresate si creste componenta continua a acesteia. Filtrele sunt circuite realizate cu elemente pasive: capacitati, inductante si rezistente. În general se pot folosi una sau mai multe celule de filtraj ca in Fig. 5.

a) b) c) d) e)

Fig. 5. Tipuri de filtre: a) filtru capacitiv C, b) filtru inductiv L,

c) filtru LC, d) filtru CLC, e) filtru CRC.

Sa consideram un redresor monofazat monoalternanta cu o dioda redresoare si cu filtru capacitiv C (Fig. 6)

Daca se alege un condensator cu o capacitate mare, el se incarca in timpul t t t cand dioda conduce pe alternanta pozitiva si se descarca putin pe rezistenta de sarcina in timpul alternantei negative (Fig. 6). Pe timpul cat dioda este blocata condensatorul asigura curentul prin sarcina, cu alte cuvinte acesta se descarca prin rezistenta de sarcina. Acest timp este egal cu (T-t) pe durata unei perioade (T) a tensiunii de retea.

Factorul de ondulatie scade foarte mult in functie de valoarea capacitatii C:

(11)

a)                             b)

Fig. 6. a) Redresor monoalternanta cu filtru capacitiv

b) Diagrama de variatie in timp a tensiunii de sarcina.

Fenomenele sunt asemanatoare si in cazul redresorului bialternanta cu filtru capacitiv. Diferentele care apar rezulta din 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 mult mai scurt. Pe timpul unei perioade a tensiunii de retea condensatorul se incarca si se descarca de doua ori.

Stabilizatorul este un circuit electronic care are rolul de a mentine tensiunea la bornele rezistentei de sarcina intre anumite limite atunci cand se modifica fie curentul prin rezistenta de sarcina fie tensiunea de alimentare a transformatorului U_p. Cel mai simplu circuit de stabilizare se realizeaza cu ajutorul unei diode Zener (Fig. 7), deoarece acestea se bazeaza pe faptul ca tensiunea la bornele diodei prezinta la o anumita tensiune de polarizare inversa variatii foarte mici fata de variatia curentului care o strabate.

Fig. 7 Stabilizator cu dioda Zener

La aplicarea unei tensiunii inverse pe dioda Zener, are loc fenomenul de strapungere electrica, caracterizat printr-o crestere rapida a curentului invers, variatia tensiunii pe dioda fiind foarte mica.

2. Montaj experimental

Montajul experimental consta intr-un panou care permite sa se realizeze diferite tipuri de redresoare monoalternanta si bialternanta cu filtru de netezire sau cu stabilizator de tensiune, prin inchiderea diferitelor contacte care sunt montate pe panou (Fig. 8).

3. Modul de lucru

1. Se realizeaza diferite tipuri de redresoare efectuand contactele conform tabelului de date.

2. Se regleaza rezistenta de sarcina obtinandu-se diferite valori ale curentului de sarcina in intervalul 10-120 mA.

3. Se citeste tensiunea pe rezistenta de sarcina la voltmetrul V

4. Se citeste la osciloscop in curent alternativ (AC), tensiunea varf la varf U_V-V pentru fiecare caz in parte.

5. Se citeste la osciloscop componenta continua U₀ egala cu saltul semnalului pulsatoriu pe ecranul osciloscopului, la trecerea intrarii Oy de pozitia AC pe pozitia DC.

6. Pentru fiecare configuratie in parte se calculeaza factorul de ondulatie cu relatia:

(12)

7. Se reprezinta pe acelasi grafic dependenta tensiunii la bornele rezistentei de sarcina R_S in functie de curentul de sarcina I_S pentru toate tipurile de redresoare

Fig. 8. Schema montajului experimental.

Tabel de date experimentale