20. Diodengleichrichter

20.1. Zielsetzung

Das Ziel dieser Übung ist die Untersuchung von Halb- und Vollwellengleichrichtern mit Dioden, die zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom verwendet werden.

20.2. Anmerkungen

In diesen Tutorials verwenden wir die Terminologie aus dem Benutzerhandbuch, wenn Sie sich auf die Verbindungen zur Red Pitaya STEMlab-Board - Hardware beziehen.

Oszilloskop & Signalgenerator Anwendung wird zum Erzeugen und Beobachten von Signalen in der Schaltung verwendet.

20.3. Materialien

• Red Pitaya STEMlab

• Widerstand: 1 x 1 \(k\Omega\)

• Kleinsignaldiode: 4 x (1N914 oder ähnlich)

20.4. Halbwellengleichrichter

20.4.1. Einleitung

Richten Sie die Steckplatine so ein, dass die Kanäle OUT1 und IN2 an einem Ende der Diode angebracht sind. Das andere Ende der Diode ist mit dem \(1 \, k\Omega\) Lastwiderstand verbunden, wie in Abb. 20.2 dargestellt. Das andere Ende des Widerstandes ist mit der GND-Schiene verbunden. Der Eingang des Oszilloskops Kanals IN2 ist mit dem Ende des Widerstandes verbunden, der nicht mit der GND-Schiene verbunden ist.

Abb. 20.1 Anschlussplan für einen Halbwellengleichrichter

Aus der obigen Konfiguration folgt, dass die Eingangswechselspannung und die gleichgerichtete Spannung im Oszilloskop als \(V_{AC} = IN_1\) und \(V_{rec} = IN_2\) dargestellt werden.

1. Bauen Sie die Schaltung aus Abb. 20.1 auf dem Steckbrett auf.

Abb. 20.2 Verbindungen auf dem Steckbrett

2. Starten Sie die Anwendung Oszilloskop & Signalgenerator

3. Stellen Sie im Menü OUT1-Einstellungen den Amplitudenwert auf \(0,9\,V\) und den DC-Offset auf \(0\,V\) ein, um die Eingangsspannung anzulegen. Wählen Sie im Wellenformmenü SINE, Deaktivieren Sie den SHOW-Button und wählen Sie Enable.

4. Vergewissern Sie sich auf der linken unteren Seite des Bildschirms, dass IN1 \(V/div\) auf \(200\,mV/div\) eingestellt ist (Sie können \(V/div\) einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal und die vertikalen +/- Regler auswählen)

5. Stellen Sie sicher, dass IN2 \(V/div\) am linken unteren Bildschirmrand auf \(200\,mV/div\) eingestellt ist (Sie können \(V/div\) einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal und die vertikalen +/- Regler auswählen)

6. Setzen Sie \(t/div\) Wert auf \(200\,us/div\) (Sie können \(t/div\) mit horizontalen +/- Regler einstellen)

Abb. 20.3 Messungen des Halbwellengleichrichters

Wie man in Abb. 20.3 sehen kann, wird nur die positive Halbperiode des Eingangssignals auf die Last übertragen. Dies bedeutet, dass die negative Halbperiode nicht an der Leistungsübertragung beteiligt ist.

20.4.2. Fragen

1. Warum ist der Spitzenwert des gleichgerichteten Ausgangs kleiner als der Spitzenwert des AC-Eingangs und um wie viel?

2. An welcher Stelle in der Eingangswellenform wird die gleichgerichtete Wellenform positiv, d.h. etwas anderes als Null?

3. Was passiert, wenn die Richtung der Diode umgekehrt wird? Wiederholen Sie das Experiment mit umgekehrter Richtung der Diode.

20.5. Vollwellengleichrichter

Hier untersuchen wir die Verwendung von zwei Dioden als Vollwellengleichrichter.

Unter Verwendung von 1N914-Dioden wird das Steckbrett mit OUT1 an einem Ende der ersten Diode D1 und OUT2 an einem Ende der zweiten Diode D2 aufgebaut. Beide Dioden sollten in die gleiche Richtung weisen wie in Abb. 20.5 gezeigt. Das andere Ende jeder Diode ist mit einem Ende des \(1\,k\Omega\) Lastwiderstandes \(R_L\) verbunden. Das andere Ende des Widerstands ist mit der GND-Schiene verbunden.

Abb. 20.4 Anschlussplan für Vollwellen-Diodengleichrichter

20.5.1. Durchführung

1. Bauen Sie die Schaltung aus Abb. 20.4 auf dem Steckbrett auf.

Abb. 20.5 Verbindungen auf dem Steckbrett

2. Starten Sie die Anwendung Oszilloskop & Signalgenerator

3. Stellen Sie im Menü OUT1-Einstellungen den Amplitudenwert auf \(0,9\,V\) und den DC-Offset auf \(0\,V\) ein, um die Eingangsspannung anzulegen. Wählen Sie im Wellenform-Menü SINE und wählen Sie Enable.

4. Stellen Sie im Menü OUT2-Einstellungen den Amplitudenwert auf \(0,9\,V\), DC-Offset auf \(0\,V\), Phase auf 180 ° ein, um die Eingangsspannung anzulegen. Aus dem Wellenformmenü wählen Sie SINE, und wählen Sie Enable.

5. Deaktivieren Sie im Einstellungsmenü der IN1 SHOW

6. Stellen Sie sicher, dass IN2, OUT1 und OUT2 \(V/div\) auf der linken Seite des Bildschirms auf \(200\,mV/div\) eingestellt sind (Sie können \(V/div\) einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal auswählen und vertikale +/- Regler verwenden)

7. Setzen Sie \(t/div\) Wert auf \(200\,us/div\) (Sie können \(t/div\) mit horizontalen +/- Regler einstellen)

8. Stellen Sie im Trigger-Einstellungsmenü die Triggerquelle auf IN2, den Triggerpegel auf \(0,2\,V\), den Triggermodus auf Normal und den Triggeroffset auf \(-0,12\,ms\) ein.

Wenn sowohl 0-Grad- als auch 180-Grad-Phasen des AC-Eingangssignals (OUT1 und OUT2) verfügbar sind, kann eine zweite Diode die fehlende Halbwelle des Eingangs füllen und das vollwellige gleichgerichtete Signal erzeugen. Auch hier wird die Durchlassspannung der Dioden sichtbar und die Ausgangswellenform wird aufgrund der ungleich Null-Einschaltspannung der Dioden nicht zu einem scharfen Punkt am Nulldurchgang kommen.

Abb. 20.6 Vollweggleichrichtermessungen

20.5.2. Fragen

1. Was passiert, wenn die Richtung der Dioden umgekehrt wird? Wiederholen Sie den Versuch mit umgekehrter Richtung der beiden Dioden.

2. Was passiert, wenn die Richtung einer Diode entgegengesetzt ist? Wiederholen Sie den Versuch mit der umgekehrten Richtung der Diode (D1).

3. Wie können sowohl 0-Grad- als auch 180-Grad-Phasen aus einer einzigen Quelle erstellt werden? (Wie wäre es mit einem Transformator?)

20.6. Brückengleichrichter

Hier untersuchen wir den Einsatz von vier Dioden als Brückengleichrichter. Brückengleichrichter ist ein Vollwellengleichrichter und wir sollten die gleichen Signale erwarten, wie in Abb. 20.6 dargestellt. Der Unterschied besteht darin, dass der Brückengleichrichter die negative Halbwelle ohne zusätzliche um 180 Grad versetzte Spannungsquelle ausfüllt und stattdessen 4 Dioden verwendet, um einen Vollwellengleichrichter ohne zusätzliche Spannungsquelle herzustellen.

Abb. 20.7 Brückenvollwellen-Diodengleichrichter

Bemerkung

In der Brückenkonfiguration muss die AC-Seite potentialfrei sein, d.h. wir können keine DC-Massereferenz von unserem Signalgeneratorausgang OUT1 an die AC-Seite der Diodenkonfiguration anlegen. Wenn wir das tun, liegen die Knoten 3 und 4 (Abb. 20.7) auf dem gleichen GND-Potential, wodurch die Diode D3 gebrückt wird (Kurzschluss).

Auch im Betrieb wird bei negativer OUT1-Halbwelle Diode D3 gebrückt. Der Strom fliesst dann direkt durch die vorwärts polarisiert Diode D4 und nicht durch den Lastwiderstand \(R_L\). Aus diesem Grund wird ein Trenntrafo benötigt, der die gemeinsame Masse der DC-Seite der Diodenbrücke trennt.

In Abb. 20.8 ist die Brückengleichrichterkonfiguration mit Transformator dargestellt. Dies ist die gebräuchlichste Verwendung des Brückengleichrichters. Wie aus der Abb. 20.8 zu ersehen ist, sind die Punkte 1 und 3 des Brückengleichrichters der Differenzspannung des Transformators ausgesetzt, was einen korrekten Betrieb des Gleichrichters ermöglicht. Punkt 3 wird nicht auf GND gelegt, wenn der IN2-Fühler angeschlossen ist und D3 nicht überbrückt wird, da die „AC“ (Transformator) -Seite isoliert ist.

Abb. 20.8 Brückenvollwellen-Diodengleichrichter mit Transformator

Bemerkung

Hier haben wir einen 1: 6 Transformator verwendet. Die Auswahl des Transformators ist abhängig von den Spannungspegeln usw. Hier verwenden wir einen 1: 6-Wandler, um die Versorgungsspannung OUT1 (\(+/-\, 1\,V\)) zu erhöhen. Diese Spannungserhöhung, d.h. das Übersetzungsverhältnis, hat keinen Einfluss auf den Brückenbetrieb selbst. Sie können 1:1,1:2 oder verschiedene Verhältniswandler verwenden.

20.6.1. Durchführung

1. Bauen Sie die chaltung aus Abb. 20.8 auf dem Steckbrett auf.

Abb. 20.9 Brückengleichrichter auf dem Steckbrett

2. Stellen Sie die IN2-Sondendämpfung auf x10

3. Starten Sie die Applikation Oszilloskop & Signalgenerator

4. Stellen Sie im Menü OUT1-Einstellungen Amplitudenwert auf \(0,9\,V\), DC-Offset auf \(0\,V\) und Frequenz auf \(100\,Hz\) ein, um die Eingangsspannung anzulegen. Wählen Sie im Wellenformmenü SINE, Deaktivieren Sie SHOW und wählen Sie Enable.

5. Stellen Sie im IN2-Eingangsmenü die Sondendämpfung auf x10 ein

6. Vergewissern Sie sich auf der linken Seite des Bildschirms, dass IN1 auf \(200\,mV/Div\) steht (Sie können \(V/Div\) einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal auswählen und vertikale +/- Regler verwenden)

7. Vergewissern Sie sich auf der linken unteren Seite des Bildschirms, dass IN2 auf \(2\,V/Div\) eingestellt ist (Sie können \(V/Div\) einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal auswählen und vertikale +/- Regler verwenden)

8. Setze \(t/div\) Wert auf \(2\,ms/div\) (Du kannst \(t/div\) mit horizontalen +/- Kontrollen einstellen)

Abb. 20.10 Brückengleichrichtermessungen

Bemerkung

Das in Abb. 20.10 gezeigte Signal IN1 ist das Spannungssignal auf der Primärseite des Transformators (Abb. 20.8). Diese Spannung (IN1) multipliziert mit dem Transformatorverhältnis und um 180º verschoben ist das tatsächliche Wechselstromsignal am Brückengleichrichter. Warum haben wir die IN1-Sonde nicht auf die Sekundärseite des Transformators gelegt? Betrachten Sie die Abb. 20.7 und Ihre Erklärung.

Wie aus Abb. 20.10 ersichtlich, ist die Brückenkonfiguration tatsächlich ein Vollwellengleichrichter, der nur eine Spannungsquelle verwendet. Bei Verwendung von STEMlab wurde ein zusätzlicher Transformator benötigt. Bei Verwendung eines Transformators mit dem zentralen Abgriff können wir einen Vollwellengleichrichter mit nur zwei Dioden herstellen. Erkunden Sie, wie!

Der Nachteil dieser Schaltung ist, dass nun zwei Diodenabfälle mit der Last in Reihe geschaltet sind und der Spitzenwert des gleichgerichteten Ausgangs um \(1,2\,Volt\) geringer ist als der AC-Eingang und nicht mehr die \(0,6\,V\) in den vorherigen Schaltungen. Versuchen Sie, diesen Spannungsabfall zu messen.