Guia completa dels circuits rectificadors del pont

Els rectificadors del pont converteixen el corrent altern (CA) en corrent directe (DC), un procés bàsic en gairebé tots els sistemes electrònics.Utilitzant una combinació de díodes disposats en una configuració del pont, aquests circuits utilitzen de manera eficient les dues meitats de la forma d'ona de CA per oferir una sortida de corrent continu més estable i útil.Des d’electrònica de consum compacta fins a aplicacions industrials d’alta potència, comprendre el funcionament dels rectificadors del pont i els diferents tipus disponibles ajuda a dissenyar sistemes d’energia fiables i eficients.

Catàleg

Visió general del rectificador del pont

Un rectificador de pont és un tipus de rectificador d’ona completa dissenyada per convertir el corrent altern (CA) en corrent directe (DC).Utilitza quatre díodes disposats en una configuració quadrada que s’assembla a un pont.Aquest disseny elimina la necessitat d’un transformador amb pressió de centre, fent que el circuit sigui més senzill, més compacte i menys costós de produir.

Diferents variants de rectificadors del pont

Els rectificadors del pont tenen diverses formes, depenent de l'aplicació i dels requisits de potència:

• Rectificadors del pont monofàsic Maneu les entrades bàsiques de CA, sovint utilitzades en dispositius de menor potència com adaptadors o electrodomèstics petits.

• Rectificadors de pont trifàsics estan construïts per a aplicacions industrials o d’alta potència, oferint una producció més consistent amb menys ondulacions.

• Rectificadors del pont descontrolat Funciona únicament basant -se en la configuració del díode i l’entrada de CA, sense control extern sobre el temps de sortida.

• Rectificadors del pont controlat Inclou components com tiristors o SCR que permeten una regulació més precisa de la tensió i la sincronització de la sortida.

Comprensió de rectificadors descontrolats monofàsics

Un rectificador de pont descontrolat d'una fase utilitza quatre díodes disposats en un disseny similar al quadrat, formant un bucle tancat.Aquests díodes normalment s’etiqueten D1 a D4.L’entrada de CA prové de l’enrotllament secundari d’un transformador i es connecta a dos punts d’entrada, marcats A i B. La càrrega, representada per una resistència (RL), es col·loca a través dels dos terminals de sortida, C i D. Aquesta configuració permet que el corrent passi per la càrrega independentment de la direcció de l’entrada de CA.

Figura 2. Rectificador del pont monofàsic monofàsic

Durant la meitat positiva del cicle de CA

Quan el punt A es fa més positiu elèctricament que el punt B, els díodes D1 i D2 són esbiaixats cap endavant i comencen a realitzar.Al mateix temps, D3 i D4 són de biaix inversa i es bloquegen corrents.El corrent elèctric segueix aquesta ruta: entra al punt A, flueix pel díode D1, passa per la resistència de càrrega RL, continua a través del díode D2 i surt al punt B. Això provoca una caiguda de tensió a través del resistor, amb el punt D amb un potencial superior al punt C. La càrrega rep un pols unidireccional de corrent.

Figura 3. La meitat positiva del cicle de CA

Durant la meitat negativa del cicle de CA

A mesura que la tensió de CA es mou en el sentit contrari i el punt B es fa més positiu que el punt A, el parell conductor canvia.Ara, els díodes D3 i D4 són esbiaixats cap endavant i porten corrent, mentre que D1 i D2 estan desactivats.El corrent entra pel punt B, viatja pel díode D3, passa per la càrrega en la mateixa direcció que abans, continua pel díode D4 i surt al punt A. Tot i que l’entrada de CA s’ha invertit, la càrrega encara rep el corrent que flueix en la mateixa direcció, mantenint una polaritat consistent.

Figura 4. La meitat negativa del cicle de CA

Comportament de flux i sortida de corrent

A les dues meitats del cicle de CA, la càrrega sempre veu que el corrent es mou en una direcció.Això produeix una tensió de corrent continu a través dels terminals de sortida.La forma d'ona de tensió conté pics corresponents a cada mig cicle de l'entrada, però no hi ha polaritat invertida.

Suavitzant la sortida

La sortida del rectificador, tot i que sempre positiva, encara té una onada notable a causa de les llacunes entre els cims.Per reduir aquesta fluctuació i produir una tensió de corrent continu més suau i estable, sovint s’afegeix un condensador a la sortida.El condensador es carrega durant els pics de tensió i les descàrregues durant els dipòsits, ajudant a omplir els buits i aplanar la forma d'ona.

Forma

Figura 5. Forma d'ona del rectificador del pont monofàsic

Característiques d’un rectificador de pont monofàsic

• Eficiència - L’eficiència ens explica quina quantitat de potència de CA d’entrada es converteix amb èxit en potència de corrent continu.Es calcula comparant la potència de sortida de corrent continu amb la potència total d’entrada de CA.

Per trobar l'eficiència, primer mirem la potència de corrent continu que es lliura a la resistència de càrrega.Això ho dóna:

• Potència de sortida de corrent continu:

Aquí, jo_{corrent corrent} és el corrent mitjà a través de la càrrega.Per a una ona sinusoïdal de l'ona completa, aquest corrent és igual a:

on jo_M és el corrent màxim.

Substituint això a la fórmula de potència de sortida dóna:

Ara, considerem la potència total de CA d’entrada.Si assumim components ideals (sense potència perduda en els díodes o transformadors), la potència d’entrada es calcula mitjançant el valor RMS del corrent d’entrada:

• Potència d'entrada de CA:

Aquí:

• R_F és la resistència cap endavant dels díodes.

• R_S és la resistència al bobinatge secundària del transformador,

• R_L és la resistència a la càrrega.

Posar els dos valors de potència a la fórmula d'eficiència:

Simplificant:

Si assumim un cas ideal on r_F i r_S són insignificants en comparació amb r_L, la fórmula es converteix en:

Això significa que, en condicions perfectes, un rectificador del pont pot convertir fins a un 81,2% de la potència de CA d’entrada en DC.

• Tensió inversa màxima (PIV) -Cada díode del circuit del pont ha de ser capaç de suportar una tensió igual al pic de la tensió de CA secundària del transformador quan es troba en un estat no conductor (biaix invers).Aquest valor és:

PIV per díode = VM

En comparació amb un rectificador amb punta de centre, on cada díode ha de suportar el doble d’aquest voltatge, el disseny del pont requereix qualificacions de PIV més baixes, que millora la seguretat i poden reduir el cost permetent l’ús de díodes amb més baixa.

• Factor ondulant - El factor ondulador mesura la quantitat de variació de CA (o "ondulament") a la sortida després de la rectificació.Es calcula mitjançant la relació del valor RMS del corrent de sortida amb el seu valor mitjà (DC):

Factor de Ripple:

Per a una sortida rectificada de l'ona completa pura sense cap filtratge:

Substituint -los a la fórmula:

Això significa que la sortida encara conté aproximadament un 48% de ondament de CC si no s’utilitza cap filtratge.És per això que els components del filtre, normalment condensadors, s’afegeixen a la sortida per suavitzar la forma d’ona.Aquests components ajuden a emmagatzemar energia durant els pics de tensió i a alliberar -lo durant les valls, reduint les fluctuacions i fent que la sortida de corrent continu sigui estable.

Rectificador no controlat en tres fases

Un rectificador de pont trifàsic no controlat està dissenyat per convertir la potència de CA trifàsica en DC.Utilitza sis díodes disposats en una formació de pont, connectades a tres línies d’entrada de CA, etiquetades R (vermell), y (groc) i b (blau).En comparació amb els rectificadors monofàsics, aquesta configuració proporciona una sortida de corrent continu molt més suau amb una ondulació significativament menys, cosa que la fa més eficient per a aplicacions d’alta potència.

En un sistema de CA trifàsic, les tensions de les tres línies d’entrada es compensen amb 120 graus elèctrics.A causa d'això, la tensió entre dues fases canvia constantment i, en un moment donat, sempre hi ha una fase a una tensió més alta i una altra a una tensió inferior.

El rectificador aprofita aquests nivells de tensió canviants.A cada instant durant el cicle de CA, dos dels sis díodes realitzen:

• Un díode es connecta a la fase que actualment es troba a la tensió més alta.

• L’altre díode es connecta a la fase que es troba a la tensió més baixa.

Figura 6. Circuit de rectificador del pont trifàsic

Aquests dos díodes creen un camí perquè el corrent flueixi a través de la resistència de càrrega.A mesura que les tensions entre les fases canvien, diferents parells de díodes s’encenen i s’apaguen, cadascuna conduint durant uns 120 ° del cicle de CA.Com que la commutació es produeix en intervals superposats, la sortida té múltiples polsos de tensió que es segueixen de prop.

Aquest solapament significa que no hi ha grans llacunes entre els polsos i el corrent a través de la càrrega flueix en una direcció consistent.Com a resultat, la sortida de corrent continu rectificada és gairebé contínua, amb molt menys ondulacions que la que es veu en un rectificador d'una sola fase.

Exemples de camins de conducció

A mesura que les relacions de tensió entre les fases canvien, diferents parells de díodes porten el corrent.Per exemple:

• Quan la fase R és més positiva que la fase Y, i la fase Y és més positiva que la fase B, els díodes D1 i la conducta D4.

• Si la fase R és més positiva que la fase B, i la fase B és més negativa que R, Diodes D1 i D6.

• Quan la fase Y és més positiva que la fase B, els díodes D3 i la conducta D6.

• Si la fase Y és més positiva que la fase R, els díodes D3 i la conducta D2.

• Quan la fase B és més positiva que la fase R, els díodes D5 i la conducta D2.

• Si la fase B és més positiva que la fase Y, els díodes D5 i D4.

Cada parella dirigeix ​​el corrent des de la fase de tensió superior, a través de dos díodes, i després a través de la càrrega.Aquesta commutació contínua garanteix que la tensió de sortida es manté estable i la ondulació és mínima, un avantatge útil en les aplicacions on es necessita una potència de corrent continu.

Forma

Figura 7. Forma d'ona del rectificador del pont trifàsic

Exploració del rectificador del pont de centre

Figura 8. Rectificador del pont de centre central

Un rectificador del pont de la punta central és un circuit de rectificació d'ona completa que utilitza un transformador amb un bobinat secundari dedicat al centre i dos díodes.Aquesta configuració permet al circuit convertir tota la forma d'ona d'entrada de CA en una sortida unidireccional, però amb un enfocament diferent del pont de quatre díodes més comú.

El bobinatge secundari del transformador es divideix en dues meitats, amb la punta central que serveix de punt de referència, actuant com un terreny al circuit.Cada meitat del bobinat proporciona tensió durant la meitat del cicle de CA.Durant la meitat positiva de l’entrada de CA, un extrem del transformador es fa més positiu que el centre.En aquest moment, el díode connectat a aquesta meitat es converteix en biaix cap endavant i permet que el corrent flueixi per la càrrega.Quan l’entrada passa a la meitat negativa del cicle, l’altra banda de l’enrotllament es fa més positiva respecte a la punta central.El segon díode realitza ara, enviant corrent a través de la càrrega en la mateixa direcció que abans.

Aquesta conducció alternativa garanteix que el corrent a través de la càrrega sempre flueix en una direcció, convertint eficaçment les dues meitats de la forma d'ona de CA en una sortida continuada de corrent continu.Si bé aquest mètode aconsegueix una rectificació d'ona completa amb només dos díodes, requereix un transformador de punta central.Això afegeix un cost i una complexitat addicionals, sobretot si es compara amb el rectificador estàndard del pont de quatre díodes, que no necessita cap centre.Per a aplicacions on el disseny del transformador és flexible, la configuració del centre-taps pot ser útil.Però, en molts casos, la disposició més senzilla i la millora de l’eficiència d’un pont de quatre díodes el converteixen en l’elecció preferida.

Circuits de rectificadors del pont de mitja ona

Figura 9. Rectificador del pont de mitja onada

Un rectificador de pont de mitja ona és un tipus bàsic de circuit rectificador que utilitza només dos díodes per convertir la potència de CA en DC.Està dissenyat per permetre que el corrent passi per la càrrega durant només la meitat del cicle de CA, la meitat positiva, alhora que bloqueja la meitat negativa completament.

Quan l’entrada de CA entra al circuit, la tensió s’aixeca i cau en un patró sinusoïdal.Durant la meitat positiva de cada cicle, un dels díodes es converteix en biaix cap endavant i permet que el corrent passi a la càrrega.El segon díode, ordenat al pont, també es fa esbiaixat cap endavant durant aquest temps, completant el circuit i dirigint el corrent per un camí únic i consistent a través de la càrrega.Quan la tensió de CA inverteix la direcció en el mig cicle negatiu, tots dos díodes es tornen a esgarrifar inversament.En aquesta condició, bloquegen el corrent i no es lliura cap potència a la càrrega durant aquesta part del cicle.

Com que només s’utilitza la meitat de la forma d’ona d’entrada, el corrent de sortida apareix en ràfegues breus i separades més que com a flux llis o continu.Això produeix un alt nivell de ondulacions i dóna lloc a una menor eficiència de conversió en comparació amb els rectificadors d’ona completa.La sortida de corrent continu és desigual, amb llacunes importants entre els polsos.A causa d'aquestes limitacions, s'utilitzen rectificadors del pont de mitja onada en aplicacions de baix consum o menor on no es requereix un subministrament de corrent continu estable o ben filtrat.Són adequats en situacions en què la simplicitat del circuit, el baix cost o la manipulació d’energia mínima són més importants que la qualitat de la sortida.

Aplicacions comunes de rectificadors del pont

• A Electrònica de consum, Els rectificadors del pont es troben dins de les fonts elèctriques de telèfons, tauletes, ordinadors portàtils i molts electrodomèstics.Aquests dispositius es basen en rectificadors per convertir el CA de butxaca de paret en corrent continu per a circuits interns.

• Sistemes de càrrega de bateries també depenen dels rectificadors del pont.Tant si es tracta d’un carregador de telèfons intel·ligents, d’una unitat de còpia de seguretat de la bateria o d’un sistema de càrrega de vehicles, els rectificadors s’asseguren que la potència de CA entrant es converteixi de forma segura en DC abans d’utilitzar -se per carregar la bateria.

• A automatització industrial, els rectificadors del pont són una part bàsica dels sistemes de control de motors.Els motors que funcionen en corrent continu necessiten un subministrament rectificat i els rectificadors ajuden a proporcionar la tensió constant necessària per a la velocitat suau i el control del parell.

• Controladors LED i circuits d’il·luminació Utilitzeu també els rectificadors del pont per alimentar els llums LED.Com que els LED s’executen en corrent continu, els rectificadors gestionen la conversió de la xarxa de CA, fent possible la il·luminació eficient i sense parpellejar.

• A Sistemes d’energia renovable, com ara instal·lacions d’energia solar, els rectificadors del pont ajuden a convertir la sortida de CA variable d’inversors o certs arranjaments del panell solar en corrent continu.Aquesta potència de corrent continu es pot emmagatzemar en bateries o utilitzar -la per executar dispositius connectats.

• Els rectificadors del pont són perillosos Subministraments elèctrics ininterruptibles (UPS), que proporcionen potència de còpia de seguretat d’emergència.Ajuden a garantir que la transició entre la potència de la xarxa i la còpia de seguretat de la bateria sigui suau i ininterrompuda, mantenint els sistemes necessaris en línia.

• Sistemes de telecomunicacions i centres de dades Depèn dels rectificadors per mantenir una potència estable per a servidors, interruptors de xarxa i equips de comunicació.La demanda constant de funcionament i fiabilitat en aquests entorns fa que la conversió de corrent continu sigui imprescindible.

• al camp mèdic, dispositius com ara escàners de ressonància magnètica, màquines de raigs X i sistemes de control de pacients utilitzen rectificadors del pont per proporcionar la potència de corrent continu i filtrada que aquests instruments sensibles requereixen.

• Eines industrials de gran resistència, incloent màquines de soldadura i equips de fabricació d’alta potència, també es basen en rectificadors.Aquestes eines necessiten un corrent continu per a un funcionament i un control de processos eficients.

• Amplificadors d'àudio i sistemes de so d'alta fidelitat Inclou els rectificadors del pont en les seves etapes d’alimentació.El DC net i estable s’utilitza per reduir el soroll i la distorsió en la sortida d’àudio, especialment en sistemes de qualitat professional.

Avantatges i desavantatges d’un rectificador del pont

Els rectificadors del pont ofereixen diversos avantatges pràctics que els converteixen en una elecció popular tant en aplicacions d’energia de consum com industrial.No obstant això, com qualsevol circuit, també inclouen algunes compensacions que s’han de considerar en funció del cas d’ús.

Avantatges

• Un dels majors avantatges d’un rectificador del pont és el seu Capacitat per realitzar una rectificació d'ona completa Sense necessitar un transformador del centre.Això simplifica el disseny del transformador i redueix el cost global i la major part del sistema d’alimentació.

• La configuració del pont fa ús de les meitats positives i negatives del senyal d’entrada de CA, cosa que comporta més conversió de potència eficient i una més forta, Sortida de corrent continu més consistent.Aquesta utilització completa de la forma d'ona millora la transferència de potència global a la càrrega.

• El circuit en si és senzill i compacte, utilitzant només quatre díodes en un disseny ben establert.És àmpliament utilitzat i fàcil d’implementar, cosa que el fa ideal per a diversos dissenys, des de petits carregadors de consum fins a sistemes industrials més grans.

• A causa del seu Eficiència i simplicitat, el rectificador del pont també és rendible.Sovint és la solució ideal per a vosaltres que necessiteu un equilibri de rendiment, fiabilitat i facilitat d’integració.

Desavantatges

• Malgrat els seus beneficis, un rectificador del pont té algunes limitacions.Durant el funcionament, es realitzen dos díodes alhora a cada mig cicle, cosa que es tradueix en un combinat Drup de tensió endavant.Aquesta gota redueix lleugerament la tensió de sortida, especialment en aplicacions de baixa tensió on cada volta compta.

• Quan manipuleu corrents superiors, el pèrdua d’energia A partir d’aquests díodes pot generar calor important.En aquests casos, es poden necessitar disabsitos de calor o components de gestió tèrmica per evitar un sobreescalfament i assegurar un funcionament estable.

• El circuit també ho és No és ben adequat Per a senyals de CA de gran freqüència.El temps de recuperació inversa dels díodes estàndard pot causar ineficiències en aquestes freqüències, requerint l’ús de components de commutació més ràpids com Schottky o Diodes de recuperació ràpida.

• Per a aplicacions que impliquin càrregues pesades o ràpides, es pot necessitar un filtratge addicional o components de regulació per mantenir una sortida suau i fiable.Això afegeix a la Complexitat i cost del circuit, depenent de la demanda de l’aplicació.

Conclusió

Els rectificadors del pont segueixen sent un bloc de construcció útil en l'electrònica moderna, oferint una solució fiable per a la conversió de CA a DC a través d'una àmplia gamma d'aplicacions.El seu disseny senzill però eficaç permet una rectificació eficient d’ona completa, un cost reduït dels components i una potència d’energia millorada.Tant si s’alimenta els aparells quotidians, el suport de maquinària industrial com si permeten sistemes d’energia renovables, els rectificadors de pont continuen proporcionant la potència de corrent continu de la qual depenen les tecnologies.

Preguntes més freqüents [FAQ]

1. Funciona un rectificador de pont de les dues maneres?

Un rectificador del pont no permet que el corrent flueixi ambdues maneres a la sortida;En canvi, converteix tant les meitats positives com les negatives d’un senyal de CA en una sortida de corrent continu unidireccional mitjançant quatre díodes que condueixen en parelles depenent de la polaritat d’entrada.En funcionament, mentre AC continua canviant de direcció, el corrent que flueix per la càrrega es manté en una direcció, produint una rectificació d'ona completa.

2. Per què és millor un rectificador del pont que un cop de centre?

Un rectificador del pont és millor que un rectificador amb pressió del centre perquè no requereix un transformador dedicat al centre, utilitza tot el bobinatge secundari durant les dues meitats del cicle de CA i proporciona una tensió de sortida més elevada amb una millor utilització del transformador.En les construccions pràctiques, es tradueix en un disseny més petit, senzill i més rendible, amb una eficiència millorada i menys complicacions de bobinatge del transformador

3. Com afecta el rendiment del rectificador quan s’utilitza un filtre?

Quan s’utilitza un filtre amb un rectificador, millora significativament el rendiment reduint la tensió i proporcionant una sortida de corrent continu més estable.En un ús pràctic, això significa que els dispositius electrònics connectats al rectificador reben un subministrament de tensió més suau, que ajuda a evitar parpellejar en LED, lectures inestables en sensors i comportament erràtic en els circuits de control.

4. Per què utilitzem condensadors en rectificadors del pont?

Els condensadors s’utilitzen en els rectificadors del pont per suavitzar la sortida de corrent continu carregant quan la tensió s’aixeca i es descarrega quan cau, omplint eficaçment les tensió de tensió entre els cicles.Aquesta acció ajuda a mantenir una tensió de sortida més consistent, necessària per alimentar components electrònics sensibles i assegurar un funcionament fiable en aplicacions reals.

5. Quins són els factors que determinen el rendiment del rectificador?

El rendiment del rectificador està determinat per diversos factors, incloent la tensió i la freqüència d’entrada, la quantitat de corrent de càrrega dibuixada, la mida i la qualitat del condensador de filtre, les característiques dels díodes utilitzats (com la seva caiguda i velocitat de tensió) i la capacitat del transformador per gestionar les variacions de càrrega.En escenaris pràctics, aquests factors influeixen en la neteja i estable de la sortida, la quantitat de calor que generen els components i la eficiència del circuit proporciona energia a la càrrega.