Guida per Principianti alla Progettazione di un Raddrizzatore a Onda Piena con Ponte ad H

La conversione di potenza è una parte essenziale della vita moderna, e probabilmente la più importante per scopi pratici in elettronica è la conversione da AC a DC. I raddrizzatori sono i circuiti essenziali utilizzati per trasformare l'AC in DC e possono rientrare in una delle seguenti categorie:

• Raddrizzatore a mezz'onda
• Raddrizzatore a onda intera con presa centrale
• Raddrizzatore a ponte

La funzionalità di questi raddrizzatori è la stessa, ovvero conversione da AC a DC, ma ognuno utilizza una configurazione di ingresso diversa e hanno uscite diverse. Il raddrizzatore con presa centrale e il raddrizzatore a ponte sono entrambi raddrizzatori a onda intera (quest'ultimo è talvolta chiamato "raddrizzatore a ponte completo"), e offrono un'efficienza di conversione di potenza superiore rispetto a un raddrizzatore a mezz'onda. I raddrizzatori con presa centrale e a ponte servono quasi lo stesso scopo, ma il trasformatore con presa centrale utilizzato nel primo è costoso, quindi di solito si preferisce un raddrizzatore a ponte a meno che le prese centrali su un trasformatore non siano necessarie per una particolare ragione.

In questa guida, esamineremo la progettazione e la simulazione di un raddrizzatore a ponte H a onda intera per la conversione di potenza monofase e trifase. Entrambi possono essere utilizzati in un contesto industriale, incluso in piccoli moduli di controllo che la mia azienda ha sviluppato per progetti clienti. Sono onnipresenti in altri dispositivi elettronici, e costruire una simulazione con questi è importante per vedere come possono fornire energia ai circuiti a valle con alta efficienza.

Tipi di circuiti raddrizzatori a ponte completo

Di seguito è mostrato un circuito raddrizzatore a ponte completo di base. Questo circuito utilizza normalmente quattro diodi (D1-D4) disposti in coppie in serie e solo due diodi sono polarizzati in diretta durante ogni semiciclo dell'ingresso AC. I quattro diodi in questo raddrizzatore sono connessi in una struttura a ponte chiuso, e questo assemblaggio dà il suo nome. Questo è talvolta chiamato un raddrizzatore non controllato, il motivo del quale verrà mostrato più avanti in questo articolo.

Raddrizzatori monofase vs. trifase

A volte, vedrai il raddrizzatore sopra disegnato in una configurazione a ponte H, che è mostrata di seguito. Questa configurazione è la stessa della configurazione sopra. Di seguito è mostrato anche un raddrizzatore trifase per confronto, che utilizza semplicemente 6 diodi invece di 4, con 2 diodi in serie utilizzati per controllare il flusso di corrente per ogni fase in una connessione AC trifase. Le differenze tra i due tipi di raddrizzatori dovrebbero essere evidenti dalle loro forme d'onda; il raddrizzatore trifase fornisce un ripple molto più basso ma a 1,5 volte la frequenza del raddrizzatore monofase.

Poiché i diodi convenzionali sono unidirezionali e non controllati, la corrente è permessa di fluire solo in una direzione, e non c'è modo di controllare la tensione diretta. Per questo motivo, normalmente chiamiamo questi raddrizzatori “non controllati” e dobbiamo scegliere adeguatamente i diodi utilizzati in questi circuiti per assicurare che il raddrizzatore sia completamente polarizzato in diretta nell'ambiente operativo previsto. Se ti connetti alla rete AC, avrai un ampio margine per assicurare che i diodi in questo circuito saranno sempre polarizzati in diretta, questo è più una preoccupazione se prima riduci a un livello basso, poi applichi la rettifica. Per questo motivo, spesso si utilizza un trasformatore per ridurre prima a un livello moderato (12 V o 24 V livello AC nominale), poi il segnale passa attraverso il raddrizzatore. Dopo la levigatura ad un certo valore DC, viene applicato uno stadio di regolazione finale per impostare la tensione di uscita al valore richiesto.

Raddrizzatori controllati

Questo tipo di raddrizzatore a ponte completo utilizza alcuni componenti allo stato solido controllati come MOSFET, IGBT, SCR, ecc. invece di diodi convenzionali. Uno SCR è comunemente usato poiché la sua tensione può essere facilmente variata mediante l'applicazione diretta di una tensione DC esterna. In quanto tale, il sistema può regolare la potenza in uscita per diverse tensioni secondo necessità. L'immagine qui sotto mostra un raddrizzatore a ponte controllato monofase, che semplicemente comporta la sostituzione dei diodi con gli SCR.

Proprio come il raddrizzatore monofase regolare, anche questo raddrizzatore controllato può essere rappresentato come un ponte H; la funzionalità risultante è esattamente la stessa. Possiamo anche estendere il circuito a un ingresso trifase utilizzando 6 SCR (2 per ogni fase).

Scegliere i diodi

Come ho menzionato sopra, dovrebbe essere chiaro che la corrente attraverso il carico scorre in una direzione in entrambi i tipi di raddrizzatori, quindi solo due dei diodi sono polarizzati in diretta in qualsiasi istante dato. C'è una caduta di tensione attraverso ogni diodo nella sezione del ponte polarizzata in diretta durante ogni semiciclo. Per i diodi al silicio, la caduta di tensione totale deve essere 2*0.7 = 1.4 V perché due diodi saranno polarizzati in diretta. Se stai lavorando con AC accoppiato a trasformatore di livello inferiore, allora potresti voler utilizzare diodi al germanio o Schottky poiché hanno una caduta di tensione più bassa quando sono polarizzati in diretta.

Forme d'onda in uscita

Normalmente, una volta configurato il tuo raddrizzatore, una tensione DC viene stabilita aggiungendo un condensatore di livellamento ai terminali di uscita. Il condensatore di livellamento in parallelo al carico determinerà il livello di ondulazione sovrapposto alla forma d'onda DC in uscita. Nel momento in cui la tensione di ingresso inizia a diminuire durante un ciclo, il condensatore ai terminali di uscita inizia a scaricarsi in parallelo con la resistenza, formando così un circuito RC. Il condensatore si carica e si scarica ripetutamente con una particolare costante di tempo RC tra i mezzi cicli. Prima che il condensatore possa scaricarsi completamente, inizia il ciclo di carica, quindi il condensatore non si scarica mai completamente a meno che non venga interrotta l'alimentazione in ingresso.

Qui, puoi usare la costante di tempo RC per determinare questa velocità di scarica attraverso il carico. Ad esempio, se usiamo una resistenza di carico da 10 kOhm con un condensatore da 50 uF, allora la costante di tempo RC è di 500 ms. Questo significa che, se vogliamo ridurre l'ondulazione sulla tensione DC in uscita, allora dobbiamo aumentare il valore del condensatore di livellamento o della resistenza di carico (o entrambi). Anche se la forma d'onda in uscita non è puramente DC, aumentando la resistenza di carico e il condensatore di livellamento abbastanza, l'ondulazione in uscita diventa così piccola che potrebbe non essere facilmente notata. La fase finale di regolazione sarà solitamente un LDO (per bassa tensione) o un regolatore a commutazione (per alta tensione).

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