Volledige golfgelijkrichter – Complete handleiding met werking, formule, schakeling en toepassingen

Elektrische energie wordt aanvankelijk geleverd in de vorm van wisselstroom (AC), waarvan de richting heen en weer verandert. De meeste elektronische apparaten hebben echter gelijkstroom (DC) nodig, die slechts in één richting stroomt. Het proces van het omzetten van wisselstroom in gelijkstroom wordt gelijkrichting genoemd, en het circuit dat hiervoor wordt gebruikt, heet een gelijkrichter.

Een volledige gelijkrichter is een veelgebruikte en zeer belangrijke gelijkrichterschakeling, die vaak wordt gebruikt in voedingen, laders en diverse elektronische apparaten. In tegenstelling tot de halve gelijkrichter, die slechts een halve wisselstroomcyclus gebruikt, gebruikt de volledige gelijkrichterschakeling zowel de positieve als de negatieve halve wisselstroomcyclus. Daardoor is hij efficiënter en heeft de uitgangsgelijkstroom een ​​kleinere en stabielere rimpel.

In deze handleiding leggen we de volledige golfgelijkrichter uitgebreid uit, inclusief de definitie, het schema van de volledige golfgelijkrichter, het werkingsprincipe, de uitgangsgolfvorm, gerelateerde formules, de belangrijkste voordelen en de verschillen met de halve golfgelijkrichter.

Wat is een volle-golfgelijkrichter?

Een volle-golfgelijkrichter is een elektronische gelijkrichterschakeling die zowel de positieve als de negatieve halve cyclus van wisselstroom (AC) kan omzetten in pulserende gelijkstroom (DC). Het belangrijkste onderdeel is de gelijkrichterdiode, die de stroom slechts in één richting laat lopen en zo de omzetting van wisselstroom naar gelijkstroom mogelijk maakt.

Vergeleken met de enkelvoudige gelijkrichter, die slechts een halve wisselstroomcyclus gebruikt, kan de enkelvoudige gelijkrichter een hogere gemiddelde gelijkstroomspanning bereiken en een stabielere output hebben omdat er minder rimpelingen zijn. Er zijn grofweg twee manieren om dit te implementeren: een transformator met een middenaftakking in combinatie met twee gelijkrichterdiodes; een andere manier is een constructie waarbij vier diodes een bruggelijkrichter vormen.

Het proces waarbij gelijktijdig de positieve en negatieve cycli van wisselstroom worden benut en omgezet in gelijkstroom, wordt volledige gelijkrichting genoemd.

Hoe volledige golfgelijkrichting wordt afgeleid

Als je de volgolfgelijkrichter wilt begrijpen, kun je beginnen met de halfgolfgelijkrichter en je begrip stap voor stap opbouwen.

Bij een halfgolfgelijkrichter wordt slechts de helft van de wisselstroomgolf gebruikt (ofwel de positieve halve cyclus, ofwel de negatieve halve cyclus), terwijl de andere helft direct wordt geblokkeerd. Hierdoor ontstaat een pulserende gelijkstroom, waardoor de helft van de ingangsenergie verloren gaat.

De volgolfgelijkrichter werkt anders. Deze maakt gebruik van zowel de positieve als de negatieve halve cyclus, inclusief de "verspilde helft", waardoor hij efficiënter is.

De volgolfgelijkrichter kan stap voor stap als volgt worden begrepen:

•  Laten we eerst eens kijken naar het halfgolfgelijkrichtercircuit, dat alleen de positieve halve cyclus door de belasting laat passeren.

•  Stel je een ander circuit voor dat exact hetzelfde is, maar waarvan de ingangsgolfvorm 180 graden is verschoven (fase-inversie). Op deze manier wordt de oorspronkelijke negatieve halve cyclus effectief omgezet in een "positieve" halve cyclus, die vervolgens ook door de belasting kan gaan.

•  Als we de uitgangen van deze twee schakelingen combineren, dragen zowel de positieve als de negatieve halve cyclus bij aan de output.

Op deze manier vloeit de uitgangsstroom in dezelfde richting, waardoor een continue pulserende gelijkstroom ontstaat. Dit is het kernprincipe van de volgolfgelijkrichter.

In de praktijk is het echter niet haalbaar om twee aparte wisselstroombronnen te gebruiken en deze nauwkeurig te synchroniseren. Dat is te ingewikkeld en onrealistisch.

In de praktijk wordt een volgolfgelijkrichter doorgaans op twee eenvoudigere manieren geïmplementeerd:

•  Gebruikmakend van een transformator met middenaftakking

•  Gebruikmakend van een bruggelijkrichterconfiguratie

Met deze twee methoden is slechts één wisselstroombron nodig om hetzelfde effect te bereiken. De volgolfgelijkrichter wordt daarom veelvuldig gebruikt in elektronische apparaten.

Configuraties van volledige gelijkrichtercircuits

Er zijn hoofdzakelijk twee implementatiemethoden voor het volledige gelijkrichtercircuit:

Middenaftakking volgolfgelijkrichter

Dit circuit bestaat uit een transformator met middenaftakking, twee gelijkrichtdiodes en een belastingsweerstand. Tijdens de werking, in de positieve halve cyclus van de wisselstroom, geleidt diode D1 en is D2 in sperrichting geschakeld, waardoor de stroom in één richting door de belasting vloeit. Tijdens de negatieve halve cyclus geleidt D2 en is D1 in sperrichting geschakeld, maar de belastingsstroom vloeit nog steeds in dezelfde richting. Op deze manier is er in elke halve cyclus een diode actief, wat uiteindelijk resulteert in een continu pulserende gelijkstroom (DC).

De voordelen zijn de eenvoudige structuur en het feit dat er slechts twee diodes nodig zijn. In vergelijking met de halfgolfgelijkrichter levert deze een hogere gelijkspanning en een vloeiendere uitgang. Er moet echter een speciale transformator met middenaftakking worden gebruikt, wat de kosten en de afmetingen verhoogt. Bovendien moet elke diode een piek-inverse spanning (PIV) kunnen weerstaan ​​die tweemaal zo hoog is als de ingangsspanning. Dit circuit is een vroege vorm van de volgolfgelijkrichter.

Brug-volledige-golfgelijkrichter

De bruggelijkrichter, of volbruggelijkrichter, bestaat uit vier gelijkrichtdiodes in een brugconfiguratie en heeft geen middenaftakkingstransformator nodig. Tijdens de positieve halve cyclus geleiden diodes D1 en D2, terwijl D3 en D4 in sperrichting staan ​​en de stroom in één richting door de belasting vloeit. Tijdens de negatieve halve cyclus geleiden D3 en D4, terwijl D1 en D2 in sperrichting staan ​​en de stroom in dezelfde richting blijft.

Deze constructie vereist geen transformator met middenaftakking, heeft een hogere transformatorbenuttingsgraad en is kleiner en compacter dan het ontwerp met middenaftakking. Het nadeel is echter dat er tijdens elke halve cyclus twee diodes tegelijkertijd geleiden, wat resulteert in een spanningsval van ongeveer 1.4 V (voor siliciumdiodes). Bij hoge stroomsterktes is de constructie gevoelig voor warmteontwikkeling en is een koelplaat nodig. De bruggelijkrichter is tegenwoordig het meest gebruikte en gangbare gelijkrichtcircuit.

Uitgangsgolfvorm van een volledige golfgelijkrichter

De uitgang van een dubbelfasige gelijkrichter is in feite een pulserende gelijkstroomgolfvorm. Zonder filter zou de uitgang een reeks positieve pulsen zijn. Elke halve cyclus van de wisselstroom zou één keer gelijkgericht worden, waardoor de uitgangsfrequentie twee keer zo hoog zou worden als de ingangsfrequentie. Als de ingang bijvoorbeeld 50 Hz is, zou de uitgang 100 Hz zijn.

Het toevoegen van een filter, zoals het aansluiten van een condensator over de belasting, kan de golfvorm vloeiender maken, rimpel verminderen en een uitgangssignaal verkrijgen dat dichter bij een stabiele gelijkspanning ligt. Juist hierdoor is de uitgangsspanning van volledige gelijkrichting veel vloeiender dan die van halve gelijkrichting, waardoor deze zeer geschikt is voor gebruik in voedingen.

Formules voor volledige gelijkrichters

Hier zijn de belangrijke formules voor een volledige gelijkrichter:

• DC-uitgangsspanning:

• RMS-stroom:

• Vormfactor:

• Piekfactor:

• Ripple-factor:

(Veel lager dan de halve golfgelijkrichter, die 1.21 heeft).

• Efficiëntie:

• Piek-inverse spanning (PIV):

Voor middenafgetapte gelijkrichter: PIV = 2Vm

Voor bruggelijkrichter: PIV = Vm

Deze formules helpen bij het ontwerpen en analyseren van een volledige gelijkrichterschakeling voor toepassingen in de echte wereld.

Voordelen van een volledige golfgelijkrichter

Vergeleken met de halve golfgelijkrichter presteert de volle golfgelijkrichter op veel vlakken beter en wordt daarom breder toegepast in praktische schakelingen:

• Hogere efficiëntie: De halfgolfgelijkrichter gebruikt wisselstroom (AC) slechts gedurende één halve cyclus, met een rendement van slechts ongeveer 40%. Volgolfgelijkrichters kunnen zowel de positieve als de negatieve halve cyclus gelijktijdig benutten, waardoor een rendement van ongeveer 81% en een hogere benutting van elektrische energie wordt bereikt.

• Gladdere output: Omdat de uitgangsfrequentie van volgolfgelijkrichting tweemaal zo hoog is als die van de ingangswisselstroom, is de spanningsschommeling sneller, de rimpel van nature kleiner en de resulterende gelijkstroom (DC) stabieler.

• Hogere gemiddelde uitgangsspanning: De gelijkspanning van een volgolfgelijkrichter is ongeveer 0.637 keer de piek-wisselspanning, terwijl die van een halfgolfgelijkrichter slechts 0.318 Vm bedraagt. Een hogere spanning betekent dat er een sterkere aandrijfkracht aan de belasting kan worden geleverd.

• Betere transformatorbenuttingsfactor (TUF): Volgolfgelijkrichters kunnen het vermogen van de secundaire wikkeling van de transformator beter benutten, verspilling van grondstoffen verminderen en de waarde van het volume en de kosten van de transformator maximaliseren.

• Kleinere filtercondensator nodig: Omdat de rimpelamplitude lager is en de uitgangsspanning al relatief stabiel is in vergelijking met halfgolfgelijkrichting, is er slechts een kleinere filtercondensator nodig om de golfvorm verder af te vlakken. Dit bespaart niet alleen ruimte en materiaalkosten, maar draagt ​​ook bij aan de miniaturisatie van circuits.

• Hogere betrouwbaarheid: De stroom in de belasting blijft altijd in dezelfde richting vloeien, waardoor de potentiële verliezen van het apparaat als gevolg van frequente omgekeerde stroomrichtingen worden verminderd en de stabiliteit en levensduur van het circuit worden verbeterd.

• Brede toepassingen: De volledige golfgelijkrichter is bijna een standaardconfiguratie in vermogenscircuits en wordt veel gebruikt in situaties waarin wisselstroom wordt omgezet in gelijkstroom, zoals schakelende voedingen, batterijladers, adapters voor laptops en mobiele telefoons, UPS-systemen en verschillende consumentenelektronica.

Nadelen van een volgolfgelijkrichter

Hoewel de volgolfgelijkrichter veel voordelen heeft, moet bij het ontwerpen van circuits ook rekening worden gehouden met enkele beperkingen ervan.

1. Complexere circuitontwerpen

Vergeleken met een halfgolfgelijkrichter vereist een volgolfgelijkrichter meer componenten. De middenaftakking vereist een aparte transformator, terwijl de brugschakeling vier diodes nodig heeft, waardoor de algehele structuur complexer is.

2. Hoger aantal componenten

Een volgolfgelijkrichter vereist doorgaans 2 of 4 diodes, wat de ontwerpkosten en het aantal potentiële storingspunten verhoogt.

3. Spanningsval in een bruggelijkrichter

In een bruggelijkrichter geleiden twee diodes tegelijkertijd, wat een spanningsval van ongeveer 1.4 V veroorzaakt en de uitgangsspanning verlaagt.

4. Vereiste transformator (type met middenaftakking) 

De volgolfgelijkrichter met middenaftakking vereist een speciale transformator, wat de kosten en de omvang verhoogt, en het toepassingsgebied ervan is beperkt.

5. Warmteopwekking

De geleiding van meerdere diodes veroorzaakt vermogensverlies in de vorm van warmte. Een volgolfgelijkrichter vereist een ontwerp voor warmteafvoer bij hoge stromen.

6. Ontwerpoverwegingen voor PIV

De diodes in de volgolfgelijkrichter moeten voldoen aan de PIV-vereisten; anders zijn ze gevoelig voor beschadiging.

Halve golf versus volle golf gelijkrichter

De halfgolfgelijkrichter is een van de eenvoudigste gelijkrichterschakelingen. Het werkingsprincipe is dat één halve cyclus van de wisselstroom (AC) wordt doorgelaten en de andere halve cyclus wordt geblokkeerd. Slechts één PN-junctiediode, samen met een belastingsweerstand en soms een transformator voor isolatie of spanningsregeling, kan sinusvormige wisselstroom omzetten in pulserende gelijkspanning.

De uitgangsstroom van dit soort schakelingen is unidirectioneel, maar niet gelijkmatig; het is een reeks pulsen. Daarom is meestal een filter nodig om een ​​stabielere gelijkstroom te verkrijgen. Vergeleken met de dubbelzijdige gelijkrichter is het rendement veel lager, omdat de helft van de golfvorm van de wisselstroom verloren gaat. Maar juist vanwege de zeer eenvoudige structuur is het vaak te vinden in leerboeken, laboratoriumexperimenten en sommige rapid prototyping-schakelingen. Enkelzijdige gelijkrichters vormen de eerste stap naar het begrijpen van het principe van gelijkrichting en het verder leren kennen van de verschillende soorten gelijkrichters, met name dubbelzijdige gelijkrichters.

Halve golf versus volle golf gelijkrichter in een tabel

Deze tabel laat zien waarom de volledige gelijkrichter de voorkeurskeuze is in de meeste gelijkrichterschakelingen.

Belangrijkste termen uitgelegd Explain

Door enkele veelvoorkomende basistermen te begrijpen, kunnen we beter inzien hoe een volgolfgelijkrichter werkt.

1. Cyclus

Een cyclus verwijst naar één complete golfvorm van een wisselstroomsignaal. In een volgolfgelijkrichter bestaat elke cyclus uit een positieve halve cyclus en een negatieve halve cyclus.

2. Positieve halve cyclus

De positieve halve cyclus is het gedeelte van de wisselstroomgolfvorm dat zich boven de horizontale as bevindt. In een volgolfgelijkrichter draagt ​​dit deel rechtstreeks bij aan de uitgangsstroom.

3. Negatieve halve cyclus

De negatieve halve cyclus is het gedeelte van de wisselstroomgolfvorm onder de horizontale as. In een volgolfgelijkrichter wordt dit gedeelte met behulp van diodes omgezet in een positieve uitgang, waardoor de volgolfgelijkrichter de volledige golfvorm kan benutten.

4. Pulserende gelijkstroom

De uitgang van een volgolfgelijkrichter is geen zuivere gelijkstroom, maar pulserende gelijkstroom. Dit betekent dat de spanning in één richting vloeit, maar in amplitude varieert. Vaak wordt een filter gebruikt in combinatie met een volgolfgelijkrichter om deze uitgang af te vlakken.

5. Rectificatie

Gelijkrichting is het proces waarbij wisselstroom (AC) wordt omgezet in gelijkstroom (DC). Een volgolfgelijkrichter voert volgolfgelijkrichting uit door beide helften van het wisselstroomsignaal om te zetten in bruikbare gelijkstroom.

6. rimpeling

Rimpeling verwijst naar de kleine fluctuaties die aanwezig zijn in de uitgang van een volgolfgelijkrichter. Hoewel een volgolfgelijkrichter minder rimpeling produceert dan een halfgolfgelijkrichter, is filtering nog steeds nodig voor gevoelige toepassingen.

7. Frequentieverdubbeling

Een belangrijk kenmerk van een volgolfgelijkrichter is dat de uitgangsfrequentie tweemaal zo hoog is als de ingangsfrequentie. Dit maakt de volgolfgelijkrichter efficiënter en gemakkelijker te filteren.

Conclusie

De enkelvoudige gelijkrichter is een zeer fundamenteel en belangrijk onderdeel van elektronische schakelingen. Hij kan zowel de positieve als de negatieve halve cycli van wisselstroom (AC) benutten en is daardoor efficiënter dan de enkelvoudige gelijkrichter. Bovendien is de uitgangsgelijkstroom (DC) stabieler en heeft hij minder rimpel.

Het is noodzakelijk voor studenten, ingenieurs en elektronicaliefhebbers om het schema, de formules en het werkingsprincipe van de volledige gelijkrichter te leren en te beheersen. Bij het ontwerpen van voedingen, batterijladers of andere gelijkstroomsystemen kan volledige gelijkrichting namelijk de stabiele en betrouwbare werking van het circuit garanderen.