Tipo di rettificatore | Principio di costruzione e funzionamento
Gli strumenti a raddrizzatore misurano la tensione e la corrente alternata con l'aiuto di elementi raddrizzatori e strumenti del tipo bobina mobile a magnete permanente. Tuttavia, la funzione principale degli strumenti a raddrizzatore è quella di voltmetro. Ora, una domanda potrebbe sorgere nella nostra mente: perché usiamo ampiamente gli strumenti a raddrizzatore nel mondo industriale, anche se abbiamo vari altri voltmetri AC come strumenti del tipo elettrodinamometro, strumenti del tipo termocoppia, ecc? La risposta a questa domanda è molto semplice ed è scritta come segue.
Il costo degli strumenti del tipo elettrodinamometro è notevolmente superiore a quello degli strumenti a raddrizzatore. Tuttavia, gli strumenti a raddrizzatore sono altrettanto precisi degli strumenti del tipo elettrodinamometro. Pertanto, gli strumenti a raddrizzatore sono preferiti agli strumenti del tipo elettrodinamometro.
Gli strumenti a termocoppia sono più delicati degli strumenti a raddrizzatore. Tuttavia, gli strumenti a termocoppia sono utilizzati più ampiamente a frequenze molto elevate.
Prima di esaminare il principio di costruzione e il funzionamento degli strumenti a raddrizzatore, è necessario discutere in dettaglio le caratteristiche di tensione e corrente degli elementi raddrizzatori ideali e pratici chiamati diodi.
Consideriamo prima le caratteristiche ideali dell'elemento raddrizzatore. Cosa è un elemento raddrizzatore ideale? Un elemento raddrizzatore è uno che offre resistenza zero se polarizzato in avanti e offresistenza infinita se polarizzato all'indietro.
Questa proprietà viene utilizzata per rettificare le tensioni (la rettificazione significa convertire una quantità alternata in una quantità continua, cioè da CA a CC). Considera il diagramma del circuito riportato di seguito.
Nel diagramma del circuito fornito, il diodo ideale è collegato in serie con la sorgente di tensione e la resistenza di carico. Ora, quando facciamo polarizzare in avanti il diodo, esso condurrà perfettamente offrendo un percorso di resistenza elettrica zero. Quindi si comporterà come un cortocircuito. Possiamo far polarizzare in avanti il diodo connettendo il terminale positivo della batteria con l'anodo e il terminale negativo con il catodo. Le caratteristiche in avanti dell'elemento raddrizzatore o del diodo sono mostrate nelle caratteristiche di tensione e corrente.
Ora, quando applichiamo una tensione negativa, cioè connettendo il terminale negativo della batteria con il terminale anodo del diodo e il terminale positivo della batteria al terminale catodo del diodo. A causa della polarizzazione inversa, offre resistenza elettrica infinita e quindi si comporta come un circuito aperto. Le caratteristiche complete di tensione e corrente sono mostrate di seguito.
Consideriamo nuovamente lo stesso circuito, ma la differenza è che qui stiamo utilizzando un elemento raddrizzatore pratico invece di uno ideale. L'elemento raddrizzatore pratico ha una tensione di blocco in avanti finita e una tensione di blocco inversa elevata. Applicheremo la stessa procedura per ottenere le caratteristiche di tensione e corrente dell'elemento raddrizzatore pratico. Ora, quando facciamo polarizzare in avanti l'elemento raddrizzatore pratico, non condurrà fino a quando la tensione applicata non sarà superiore alla tensione di rottura in avanti o possiamo dire la tensione di ginocchio. Quando la tensione applicata diventa maggiore della tensione di ginocchio, il diodo o l'elemento raddrizzatore entrerà in modalità di conduzione. Quindi si comporta come un cortocircuito, ma a causa di qualche resistenza elettrica c'è una caduta di tensione attraverso questo diodo pratico. Possiamo far polarizzare in avanti l'elemento raddrizzatore connettendo il terminale positivo della batteria con l'anodo e il terminale negativo con il catodo. Le caratteristiche in avanti dell'elemento raddrizzatore pratico o del diodo sono mostrate nelle caratteristiche di tensione e corrente. Ora, quando applichiamo una tensione negativa, cioè connettendo il terminale negativo della batteria con il terminale anodo del diodo e il terminale positivo della batteria al terminale catodo dell'elemento raddrizzatore. A causa della polarizzazione inversa, offre resistenza finita e la tensione negativa fino a quando la tensione applicata diventa uguale alla tensione di rottura inversa e quindi si comporta come un circuito aperto. Le caratteristiche complete sono mostrate di seguito
Ora, gli strumenti a raddrizzatore utilizzano due tipi di circuiti raddrizzatori:
Circuiti a raddrizzatore a mezza onda degli strumenti a raddrizzatore
Consideriamo il circuito a raddrizzatore a mezza onda riportato di seguito in cui l'elemento raddrizzatore è collegato in serie con una sorgente di tensione sinusoidale, uno strumento del tipo bobina mobile a magnete permanente e la resistenza moltiplicatrice.
La funzione di questa resistenza elettrica moltiplicatrice è limitare la corrente richiesta dallo strumento del tipo bobina mobile a magnete permanente. È essenziale limitare la corrente richiesta dallo strumento del tipo bobina mobile a magnete permanente perché se la corrente supera la corrente nominale del PMMC, allora distrugge lo strumento. Ora dividiamo la nostra operazione in due parti. Nella prima parte applichiamo una tensione continua costante al circuito sopra. Nel diagramma del circuito stiamo assumendo l'elemento raddrizzatore come ideale.
Indichiamo la resistenza della moltiplicatrice con R, e quella dello strumento del tipo bobina mobile a magnete permanente con R1. La tensione continua produce una deviazione a piena scala di magnitudine I=V/(R+R1) dove V è il valore efficace della tensione. Ora consideriamo il secondo caso, in questo caso applicheremo una tensione sinusoidale alternata al circuito v =Vm × sin(wt) e otterremo l'onda di uscita come mostrato. Nel ciclo positivo, l'elemento raddrizzatore condurrà e nel ciclo negativo non condurrà. Quindi otterremo un impulso di tensione allo strumento a bobina mobile che produce una corrente pulsante, quindi la corrente pulsante produrrà una coppia pulsante.
La deflessione prodotta corrisponderà al valore medio della tensione. Calcoliamo quindi il valore medio della corrente elettrica, per calcolare il valore medio della tensione dobbiamo integrare l'espressione istantanea della tensione da 0 a 2 pi. Quindi il valore medio calcolato della tensione risulta essere 0.45V. Ancora, V è il valore efficace della corrente. Pertanto, concludiamo che la sensibilità dell'ingresso in corrente alternata è 0.45 volte la sensibilità dell'ingresso in corrente continua nel caso del raddrizzatore a mezza onda.
Circuiti a raddrizzatore a onda completa degli strumenti a raddrizzatore
Consideriamo un circuito a raddrizzatore a onda completa riportato di seguito.
Abbiamo utilizzato qui un circuito a raddrizzatore a ponte come mostrato. Ancora dividiamo la nostra operazione in due parti. Nella prima analizziamo l'uscita applicando la tensione continua e nell'altra applichiamo la tensione alternata al circuito. Una resistenza moltiplicatrice in serie è collegata in serie con la sorgente di tensione che ha la stessa funzione descritta sopra. Consideriamo il primo caso in cui applichiamo una sorgente di tensione continua al circuito. Ora, il valore della deflessione a piena scala della corrente in questo caso è ancora V/(R+R1), dove V è il valore efficace della tensione applicata, R è la resistenza della resistenza moltiplicatrice e R1 che è la resistenza elettrica dello strumento. R e R1 sono contrassegnati nel diagramma del circuito. Ora, consideriamo il secondo caso, in questo caso applicheremo una tensione sinusoidale alternata al circuito che è data v = Vmsin(wt) dove Vm è il valore picco della tensione applicata, se calcoliamo il valore della deflessione a piena scala della corrente in questo caso applicando la stessa procedura, otterremo un'espressione della corrente a piena scala come .9V/(R+R1). Ricordiamo che per ottenere il valore medio della tensione dovremmo integrare l'espressione istantanea della tensione da zero a pi. Quindi, confrontandolo con l'uscita continua, concludiamo che la sensibilità con l'ingresso di tensione alternata è 0.9 volte quella nel caso di ingresso di tensione continua.
L'onda di uscita è mostrata di seguito. Ora, discuteremo i fattori che influiscono sulle prestazioni degli strumenti a raddrizzatore:
Gli strumenti a raddrizzatore sono tarati in termini di valori efficaci delle onde sinusoidali di tensione e corrente. Il problema è che la forma d'onda di ingresso può o non può avere lo stesso fattore di forma su cui è tarata la scala di questi strumenti.
Ci possono essere alcuni errori a causa del circuito raddrizzatore poiché non abbiamo incluso la resistenza del circuito a ponte raddrizzatore in entrambi i casi. Le caratteristiche non lineari del ponte possono distorcere le forme d'onda di corrente e tensione.
Ci può essere una variazione di temperatura a causa della quale la resistenza elettrica del ponte cambia, pertanto, per compensare questo tipo di errori, dovremmo applicare una resistenza moltiplicatrice con un alto coefficiente di temperatura.
Effetto della capacità del raddrizzatore a ponte: il raddrizzatore a ponte ha una capacità imperfetta, quindi, a causa di ciò, bypassa le correnti ad alta frequenza. Pertanto, c'è una diminuzione della lettura.
La sensibilità degli strumenti a raddrizzatore è bassa nel caso di ingresso di tensione alternata.
Vantaggi degli strumenti a raddrizzatore
I seguenti sono i vantaggi degli strumenti a raddrizzatore:
L'accuratezza degli strumenti a raddrizzatore è circa il 5 percento in condizioni operative normali.
L'intervallo di frequenza di funzionamento può essere esteso a valori elevati.
Hanno una scala uniforme sullo strumento.
Hanno valori di corrente e tensione di funzionamento bassi.
L'effetto di carico di un voltmetro a raddrizzatore AC in entrambi i casi (cioè raddrizzatore a mezza onda e raddrizzatore a onda completa) è elevato rispetto all'effetto di carico dei voltmetri DC, poiché la sensibilità del voltmetro, sia che si utilizzi la rettifica a mezza onda o a onda completa, è inferiore alla sensibilità dei voltmetri DC.
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