Hoofdstuk 4: De gelijkrichting __________________________ 4.1. Inleiding: De gelijkrichting is een toepassing op het gebruik van de diode. Elektronische en elektrische apparatuur maken gebruik van de netspanning. Niettegenstaande dat ze aangesloten worden op het elektriciteitsnet, werkt het inwendige van de apparatuur op gelijkspanning en dikwijls dan nog op een veel lagere spanning dan deze van het net. Voorbeelden in de elektriciteit vinden we bij lasapparatuur, gelijkspanningsmotoren, galvaniseerbaden, enz. In de elektronica wordt vrijwel in alle apparatuur gebruik gemaakt van een gelijkspanningsvoeding: TV, radio, audio, enz. Om de wisselspanning van het elektriciteitsnet om te vormen naar gelijkspanning wordt gebruik gemaakt van omzetters. In vrijwel alle gevallen wordt de hoge wisselspanning van het net naar een kleinere waarde gebracht door een transformator. Het gelijkrichten of het omzetten naar een gelijkspanning, dit is een spanning met een nietveranderende polariteit, wordt bekomen door het plaatsen van diodes, daar ze slechts in een richting doorlaten. Het gelijkrichten van een wisselspanning kan gebeuren op verschillende manieren die we in hetgeen volgt gaan bespreken. 4.2. Enkelgolfgelijkrichting: De enkelgolfgelijkrichting is wel de simpelste onder de gelijkrichters. We maken hier gebruik van 1 diode (zie fig.4.1). Voor het bespreken van de werking, bekijken we eerst even de wisselspanning. Deze wordt eerst naar omlaag getransformeerd door een transformator (zie elektriciteit voor meer info). De kleinere wisselspanning bestaat uit een sinus, die een periode voorstelt, en kan onderverdeeld worden in een positieve en negatieve helft of alternantie. Voor de bespreking bekijken we de invloed van beide apart.
Fig.4.1: schema enkelgolfgelijkrichting
Fig.4.2: karakteristieken enkelgolfgelijkrichting
Wanneer nu de positieve helft van de sinus aan de secundaire van de transformator komt, veronderstellen we dat de bovenste klem van de secundaire van de transfo plus
Cursus elektronica 5TET
Hfdst.4, blz.1
gepolariseerd wordt en de onderste klem min. Dit betekent dat de anode van de diode een plus krijgt en de kathode een min. We weten dat de diode op deze manier in doorlaat staat. De diode gaat dus geleiden en een stroom voeren door de weerstand naar de op die moment minklem van de transfo. De positieve helft van de sinus is echter geen constante waarde. Ze stijgt van nul tot maximum om dan terug af te nemen tot nul. De stroom volgt deze trend en het gevolg is dat we aan de klemmen van de weerstand geen constante waarde krijgen van de spanning maar ook volgens een veranderlijke, namelijk volgens het verloop aan de secundaire van de transfo. Bij de negatieve helft zien we dat de polarisatie aan de secundaire van de transfo omkeert. De bovenzijde wordt nu min en de onderzijde plus. De anode ligt aan de minzijde en de kathode aan de pluszijde van de transfo. De diode staat in sper en laat geen stroom door. Door de weerstand vloeit er ook geen stroom en kan er aldus geen spanning over de weerstand komen te staan. In fig.4.2 zien we het verloop van de secundaire transfospanning en de bekomen spanning over de weerstand. De positieve golf wordt doorgelaten door de diode, terwijl de negatieve golf volledig wordt afgesneden. We krijgen hier over de belasting, zijnde de weerstand, een pulserende gelijkspanning, vanwege de ontbrekende periodehelften. Dit type van gelijkrichting is enkel geschikt wanneer geen hoge eisen gesteld worden (vb. batterijlader). Deze pulserende gelijkspanning is ook niet geschikt om onmiddellijk als gelijkspanning gebruikt te worden en toe te voeren aan apparatuur als voedingsspanning, vanwege zijn veranderlijk karakter. Dit type van gelijkrichting heeft ook een slecht rendement doordat er geen gebruik wordt gemaakt van de negatieve golven. We zouden de negatieve golven op de een of andere manier ook moeten kunnen benutten, vandaar de dubbelgolfgelijkrichting. Voor het bekomen van een negatieve gelijkspanning moeten we de diode in het schema omkeren. 4.3. Dubbelgolfgelijkrichting: Bij de dubbelgolfgelijkrichting wordt er gebruikt gemaakt van zowel de positieve als de negatieve helften van de perioden van de sinus. We onderscheiden twee fundamentele methodes: 4.3.1. Met transfo met middenaftakking: De secundaire van de transfo bestaat uit een wikkeling met een middenaftakking. In de praktijk zullen we meestal een transfo hebben met meerdere wikkelingen als secundaire. We verbinden dan twee wikkelingen met elkaar en nemen de verbinding als middenaftakking. De mogelijke verbindingen staan meestal op de transfo aangeduid (zie fig.4.3). Alvorens over te gaan tot het gelijkrichten bespreken we eerst de spanningen die beschikbaar zijn aan de secundaire van de transfo (zie fig.4.4.). Bekijken we de secundaire als 1 wikkeling voor de positieve Fig.4.3: aansluitingen van een transfo met alternantie dan veronderstellen we de bovenkant meerdere wikkelingen plus gepolariseerd en de onderkant als min. Dit wil zeggen dat de bovenkant de meest positieve spanningsklem is. Bekijken we de klem Cursus elektronica 5TET
Hfdst.4, blz.2
die de middenaftakking voorstelt, dan ligt deze op een lagere spanning dan de bovenzijde en stelt dus ten opzichte van de bovenzijde de minklem voor. De klem aan de onderzijde van de transfo staat nu nog negatiever dan de middenaftakking en is dus de minklem ten opzichte van de middenaftakking. Omgekeerd kan men nu ook zeggen dat de middenaftakking de positieve klem is ten opzichte van de onderste klem. Wanneer we met een voltmeter de momentele spanningen zouden kunnen opmeten aan beide wikkelingen met als referentiepunt de middenaftakking, bij het verloop van de positieve alternantie, zien we dat we een positieve spanning meten aan de bovenste wikkeling, terwijl we een negatieve spanning meten van dezelfde grootte, indien beide spoelen evenveel wikkelingen bezitten, aan de onderste spoel. We kunnen dus zeggen dat beide spanningen even groot zijn maar elkaars tegengestelde.
Fig.4.4: schema voor de positieve alternantie
Fig.4.5: schema voor de negatieve alternantie
Voor de negatieve helft van de sinus is de bovenkant negatief en de onderkant positief. Het hele proces verloopt nu in omgekeerde volgorde. De bovenste wikkeling heeft een negatieve spanning terwijl de onderkant een positieve spanning voert. (zie fig.4.5.) Besluit: De onderste spoel staat in tegenfase ten opzichte van de bovenste spoel (zie fig.4.6). Bij de positieve alternantie aan de bovenste spoel krijgen we een negatieve aan de onderste spoel en omgekeerd. De spanning aan de onderste spoel is 180 elektrische graden verschoven ten opzichte van de bovenste. Let wel op: we hebben te doen met een wisselspanning en kunnen daarom bovenstaande veronderstelde metingen niet echt uitvoeren! Fig.4.6
Gaan we terug naar onze gelijkrichting, dan kunnen we in fig.4.4 en 4.5 zien dat we eigenlijk te doen hebben met twee enkelgolfgelijkrichtingen. In de bovenste spoel zorgt diode D1 voor de gelijkrichting van de positieve alternantie en in de onderste spoel gaat op hetzelfde moment diode D2 in sper zijn voor de dan heersende negatieve alternantie.
Cursus elektronica 5TET
Hfdst.4, blz.3
Wanneer de polariteit van de spanningen omkeert zal D2 zorgen voor de gelijkrichting van de positieve alternantie in de onderste spoel en D1 zal op ditzelfde moment in sper staan. Vermits beide spanningen 180 elektrische graden van elkaar verschoven zijn, zijn ook de twee positieve alternanties van elkaar verschoven (zie fig.4.7) en bekomen we aldus een dubbelgolfgelijkrichting. De weerstand wordt in beide gevallen doorlopen door een stroom die in dezelfde richting vloeit. De spanning over zijn klemmen verloopt zoals in de van fig.4.7 is Fig.4.7: karakteristieken dubbelgolfgelijkrichting met transfo met karakteristiek middenaftakking aangegeven. Nadeel van deze schakeling is wel dat we een transfo met middenaftakking nodig hebben. Willen we een negatieve spanning bekomen, moeten we de diodes omkeren. 4.3.2. Bruggelijkrichting: De brug lost de nadelen van de twee vorige schakelingen op. Namelijk: geen transfo met middenaftakking nodig en toch bekomen we een dubbelgolfgelijkrichting. De brugschakeling is dan ook een van de meest gebruikte vormen van gelijkrichting. De brug kan ofwel gemaakt worden door vier afzonderlijke diodes te gebruiken, ofwel kunnen we een component gebruiken die de vier diodes in 1 behuizing onderbrengen en kortweg brug genoemd wordt (vb. BY164) (zie fig.4.8).
Fig.4.8: uitzicht BY164
Fig.4.9: schema bruggelijkrichting
In fig.4.9 is de opstelling getekend van de brugschakeling. De vier diodes moeten op een welbepaalde manier geschakeld worden, zodanig dat ze om beurt twee aan twee
Cursus elektronica 5TET
Hfdst.4, blz.4
geleiden. Voor de bespreking van de werking gaan we ook hier de wisselspanning opsplitsen in de positieve en negatieve alternantie. Bij de positieve alternantie is de bovenkant van de transfo de plusklem en de onderkant de minklem. De kathode van diode D4 ligt dan aan de plusklem evenals de anode van diode D1. D4 geleidt niet daar ze in sperrichting is gepolariseerd. De onderkant van de transfo is bij de positieve alternantie de minklem. De kathode van D3 en de anode van D2 liggen aan deze minklem. D3 is in geleiding en D2 in sper gepolariseerd. Aldus verkrijgen we het vereenvoudigd schema van fig.4.10. De stroom vloeit van de bovenzijde door D1 via de belasting en D3 naar de onderzijde van de transfo.
Fig.4.10
Fig.4.11
Fig.4.12
Voor de negatieve alternantie is de bovenkant de minklem en de onderkant van de transfo de plusklem. Op gelijkaardige wijze als in bovenstaande kunnen we
Cursus elektronica 5TET
Hfdst.4, blz.5
beredeneren dat nu D2 en D4 in doorlaat staan en kunnen we een vereenvoudigd schema tekenen zoals in fig.4.11. De stroom vloeit nu van de onderzijde van de transfo via D2, belasting en D4 naar de bovenzijde. Kijken we de stroomrichting na in beide gevallen dan zien we dat de stroom, zowel bij de positieve als de negatieve golven, in dezelfde richting door de weerstand vloeit. De polarisatie aan de weerstand is in beide gevallen dezelfde en we kunnen zeggen dat de belasting onderhevig is aan een gelijkspanning . In de grafiek van fig.4.12 zien we dat deze gelijkspanning geen constante maar een pulserende gelijkspanning is. Ook deze spanning is nog niet bruikbaar om toegevoerd te worden aan apparatuur als voedingsspanning, vanwege zijn pulserend karakter. Om te kunnen dienen als voedingsspanning moeten we er een constante spanning van maken door afvlakking, te bespreken in een volgend hoofdstuk. 4.4. Afvlakking: Bij de gelijkrichting hebben we gezien dat de uitgangsspanning een pulserende gelijkspanning is. Deze pulserende gelijkspanning noemt men brom en werkt zeer storend op verbruikers zoals radio en TV. Het komt er dus op aan deze brom weg te werken of zoveel mogelijk te verkleinen zodat een volledige gelijkspanning ontstaat. De condensator neemt deze taak op zich (zie fig.4.13).
Fig.4.13: schema van een bruggelijkrichting met afvlakking
Als we de golfvorm bekijken na de gelijkrichting (zie fig.4.14 - 4.15), kunnen we deze brom indelen in twee delen. De eerste helft die stijgt van nul volt tot maximum en de tweede helft die van maximum naar nul volt daalt. In de eerste helft, dus bij stijgende spanning laadt de condensator op tot de maximum spanning bereikt wordt. In de tweede helft, bij dalende spanning gaat de condensator zijn opgeslagen elektrische energie weer afgeven en gaat zich ontladen over de belasting. De tijd van ontladen is gelijk aan 5.R.C. Hoe groter C, hoe trager de tijd van ontladen, hoe minder de spanning aan zijn klemmen, dus de uitgangsspanning, zal dalen. De tijd van ontladen zal veel langer duren dan de tijd van laden; immers de tijd van laden is gelijk aan 5.R.C waar R gelijk is aan de weerstand van de diodes in doorlaat, dus gelijk aan nul Ohm. De ontlaadtijd zal ook veel langer duren dan de tijdsduur van een enkele periode van de pulserende gelijkspanning. Deze pulserende gelijkspanning zal naar nul gaan en terug maximum worden. Op een zeker moment wordt de pulserende gelijkspanning groter dan de spanning over de condensator. De condensator gaat zich dan terug opladen tot de maximum spanning. Tijdens het ontladen van de condensator treedt er een minieme daling van de spanning op; van een 100% gelijkspanning is dan ook geen sprake. Deze overblijvende Cursus elektronica 5TET
Hfdst.4, blz.6
spanningsverandering noemt men brom of beter de rimpelspanning. De rimpelspanning kan door volgende formule berekend worden: Ur = lo / 2fC Ur = piekwaarde van de rimpelspanning; Io = stroom te leveren aan de belasting; f = frequentie van de rimpelspanning; C = capaciteit van de condensator. Hoe groter de capaciteit van de condensator, hoe kleiner de rimpelspanning. Hiervoor gaan we elektrolytische condensatoren gebruiken daar deze zeer grote waarden kunnen halen. Elektrolytische condensatoren zijn gepolariseerd, dus opgelet voor de polarisatie van de condensatoren. De keuze van Cmax zal afhankelijk zijn van de opgegeven maximum waarde in de gids van de fabrikant, waar het type gebruikte gelijkrichter te vinden is, en van de vooropgestelde rimpelspanning.
Fig.4.14
Fig.4.15
4.5. De gestabiliseerde gelijkspanningsvoeding 4.5.1. Stabilisatie d.m.v. een zenerdiode: Cursus elektronica 5TET
Hfdst.4, blz.7
in voorgaande hebben we gezien dat gelijkrichting in vele gevallen noodzakelijk is. Niet alleen gelijkrichting maar ook stabilisatie is in dergelijke gevallen een 'must'. Stabilisatie van de uitgangsspanning, dus het gelijkhouden van de uitgangsspanning ongeacht de veranderingen van de ingangsspanning en ongeacht de verandering van de belasting, kunnen we verkrijgen door het gebruik van een zenerdiode (zie zenerdiode). In het verloop van de cursus tot nu toe, hebben we alle nodige componenten, hiervoor nodig, apart besproken en is de tijd gekomen om ze samen te voegen tot een geheel. In onderstaand schema (fig.4.16) is het schema getekend van een gestabiliseerde gelijkspanningsvoeding d.m.v. een zenerdiode.
Fig.4.16: schema van een gestabiliseerde gelijkspanningsvoeding met zenrdiode als stabilisatie
Het schema kunnen we opsplitsen in vier delen, die we afzonderlijk terugvinden bij desbetreffend onderwerp in de cursus: 1) De transformator: Deze zorgt voor het omvormen van de netspanning naar een lagere wisselspanning. De translormator kan enkel wisselspanning omvormen (zie elektriciteit) vanwege zijn werkingsprincipe. 2) De diodes: In dit geval zijn ze in brug geschakeld en zorgen dus voor een bruggelijkrichting. De brug kan, zoals bij bruggelijkrichting gezien, opgebouwd worden door vier afzonderlijke diodes of door een brugcel. 3) De condensator: Deze zorgt voor de afvlakking, dus voor een licht variërende gelijkspanning. Voor meer uitleg zie voorgaande in de cursus. 4) De stabilisatieketen: Bestaat uit een voorschakelweerstand en een zenerdiode in serie. Zij zorgen ervoor dat de uitgangsspanning constant wordt gehouden. De voorschakelweerstand neemt de overtollige spanning aan de ingang voor zijn rekening en beperkt tevens de stroom door de zenerdiode.
Cursus elektronica 5TET
Hfdst.4, blz.8
4.5.2. Stabilisatie d.m.v. IC's: Om de uitgangsspanning te stabiliseren wordt tegenwoordig veelvuldig gebruik gemaakt van stabilisatie IC's. Dit zijn bouwstenen waarin de nodige componenten zitten die de stabilisatie van de uitgangsspanning verzorgen. Het gebruik van dergelijke IC's biedt veel voordelen: -Eenvoudig in gebruik; -Lage kostprijs; -Zeer goede stabilisatie eigenschappen (beter dan met een zener); -Meestal kortsluitvast; -Nauwkeurige uitgangsspanning; -Brede mogelijkheid voor wat betreft de aan te sluiten ingangsspanning; -Thermisch beveiligt. Er zijn IC's beschikbaar voor een positieve en een negatieve uitgangsspanning. Volgende aanduiding vinden we terug: -Voor een positieve uitgangsspanning: (zie fig.4.17) 78.. => vb. 7812= pos. uitg. spanning van 12V -Voor een negatieve uitgangsspanning: (zie fig.4.18) 79.. => vb. 7912= neg. uitg. spanning van 12V
Fig.4.17: stabilisatie-IC voor een positieve spanning
Fig.4.18: stabilisatie-IC voor een negatieve spanning
In volgende schema's zien we gestabliseerde voedingen d.m.v. dergelijke IC's: Cursus elektronica 5TET
Hfdst.4, blz.9
1) gestabiliseerde gelijkspanningsvoeding voor een positieve gelijkspanning:
Fig.4.19: gestabiliseerde voeding voor een positieve gelijkspanning
2) gestabiliseerde gelijkspanningsvoeding voor een negatieve gelijkspanning:
Fig.4.20: gestabiliseerde voeding voor een negatieve gelijkspanning
3) Ook is het mogelijk om, door middel van een brug, tegelijkertijd een positieve en negatieve voeding te bekomen. We gebruiken hiervoor een transfo met middenaftakking en nemen de middenaftakking als nulgeleider. Onderstaand schema is getekend voor een positieve-negatieve voeding met stabilisatie IC's.
Fig.4.21: gestabiliseerde voeding voor een positief-negatieve gelijkspanning
Cursus elektronica 5TET
Hfdst.4, blz.10
