Jednofázové usmerňovače: typické obvody, krivky a modelovanie

Usmerňovač sa používa v striedavom obvode na jeho premenu na jednosmerný prúd. Najbežnejším je zostavený usmerňovač z polovodičových diód, Súčasne môže byť zostavený z diskrétnych (samostatných) diód alebo môže byť v jednom kryte (zostava diódy).

Pozrime sa, čo je usmerňovač, čo sú, a na konci článku vykonáme simuláciu v prostredí Multisim. Modelovanie pomáha konsolidovať teóriu v praxi, bez zostavovania a skutočných komponentov, prezerania foriem napätia a prúdov v obvode.

Usmerňovacie obvody striedavého prúdu

Vyššie uvedené obrázky ukazujú vzhľad diódových mostíkov. Toto však nie je jediný systém vyrovnávania. Pre jednofázové napätie existujú tri bežné schémy usmerňovania:

1,1 polčasu (1ph1n).

2. 2-polperióza (1ph2p).

3. 2-polovičné obdobie so stredom (1ph2p).

Usporiadanie polvlnnej rektifikácie

Najjednoduchší obvod pozostáva iba z jednej diódy, ktorá na výstupe dodáva konštantné nestabilizované zvlnené napätie. Diódy sú pripojené k silovému obvodu fázovým drôtom alebo jednou zo svoriek vinutia transformátora, druhým koncom k záťaži, druhým pólom zaťaženia k neutrálnemu vodiču alebo druhou svorkou vinutia transformátora.

Skutočná hodnota napätia v záťaži je približne polovica amplitúdy. Amplitúda napätia je amplitúdou sínusovej vlny napájacej siete vo všeobecnosti pre striedavý prúd

Uampl = Uaction * √2.

Pre elektrické siete v Rusku je prevádzkové napätie jednofázovej siete 220 V a amplitúda je približne 311

Zjednodušene povedané - na výstupe máme vlnky polovicu dĺžky periódy (20 ms pre 50 Hz) od 0 V do 311 V. Napätie je v priemere nižšie ako 220 voltov, čo sa používa na napájanie nenáročných spotrebiteľov s kvalitou napätia alebo na zapínanie žiaroviek. v technickej miestnosti a technickej miestnosti. To znižuje spotrebu energie a predlžuje životnosť.

Lyrická digresia:

Trvanlivosť takýchto žiaroviek je obrovská. Prišiel som do dielne pred rokom a lampa bola nainštalovaná už v roku 2013, takže stále svieti 12 hodín každý deň. Takéto svetlo sa však nedá použiť v pracovných miestnostiach z dôvodu vysokého zvlnenia. Oscilogramy vstupného a výstupného napätia sú uvedené nižšie:

Polvlnný obvod prerušuje iba jednu polvlnku, čo je to, čo vidíte na obrázku vyššie. Vďaka tomuto napájaniu dostávame veľký zvlňovací faktor.

Za zmienku stojí, že ak trochu zmeníte tému a prepnete zo sieťových usmerňovačov, v pulzných obvodoch sa často používa polvlnný obvod, ktorý usmerňuje napätie. transformátor impulznej cievky sekundárny.

Na spínacích zdrojoch s nízkym príkonom sa tento obvod tiež používa. Takto je nabíjačka vášho mobilného telefónu s najväčšou pravdepodobnosťou vyrobená.

Polvlnný obvod

Na zníženie koeficientu zvlnenia a kapacity filtra sa používa ďalšia schéma - dvojpolovičný cyklus. Hovorí sa tomu - diódový most, Striedavé napätie je privádzané do bodu pripojenia opačných pólov diód a je konštantné v rovnakom názve. Výstupné napätie takého mostíka sa nazýva usmernené pulzovanie (alebo nie stabilizované). Toto začlenenie diód je najbežnejšie vo všetkých oblastiach elektroniky.

Na obrázkoch vidíte, že druhá polovica vlny striedavého napätia „preklopí“ a vstúpi do záťaže. V prvej polovici obdobia prúdi cez diódy VD1-VD4 prúd, v druhej cez pár VD2-VD3.

Výstupné napätie pulzuje pri frekvencii 100 Hz

Druhý obvod sa používa v napájacích zdrojoch so stredným bodom, v skutočnosti sú to dve polovičné vlny kombinované so sekundárnym vinutím transformátora so stredovým bodom. Anódy sú pripojené k krajným koncom vinutia, katódy sú pripojené k jednej záťažovej svorke (kladné), druhá záťažová svorka je pripojená k vodovodnému kohútiku od stredu vinutia (stred).

Graf výstupného napätia je podobný a nebudeme ho brať do úvahy. Jediným významným rozdielom je to, že prúd tečie súčasne cez jednu diódu a nie cez pár ako v mostíku. To znižuje energetické straty na diódovom mostíku a nadmerné zahrievanie polovodičov.

Zníženie zvlnenia

Frekvencia zvlnenia je hodnota, ktorá odráža to, ako sa vlnky výstupného napätia vlnia. Alebo naopak - ako stabilný a rovnomerne sa prúd dodáva do záťaže.

Na zníženie súčiniteľa zvlnenia súbežne so zaťažením (výstupom diódového mostíka) sú nainštalované rôzne filtre. Najjednoduchšou možnosťou je inštalácia kondenzátora. Aby vlnky boli čo najmenšie, mala by byť časová konštanta filtra R zaťaženia filtra rádovo (alebo skôr niekoľko) vyššia ako perióda zvlnenia (v našom prípade 10 ms).

Z tohto dôvodu musí mať záťaž buď vysoký odpor a nízky prúd, alebo je kapacita kondenzátora dostatočne veľká.

Vypočítaný pomer pre výber kondenzátora je nasledujúci:

Kp je požadovaný faktor zvlnenia.

Kп = Uampl / Uavr

Na zlepšenie niekoľkých charakteristík filtra sa môžu použiť obvody LC pripojené podľa schémy D alebo P-filtra, v niektorých prípadoch aj iné konfigurácie. Nevýhodou použitia LC filtrov v amatérskej rádiovej praxi je potreba vybrať tlmivku filtra. A ten pravý pre menovitú hodnotu (indukčnosť a prúd) často nie je po ruke. Preto ju musíte buď navíjať sami, alebo sa dostať zo súčasnej situácie iným spôsobom - potom, čo vypadnete z napájacieho zdroja s podobnou kapacitou.

Simulácia jednofázových usmerňovačov

Opravme tieto informácie v praxi a pustíme sa do modelovania elektrických obvodov. Rozhodol som sa, že na vytvorenie modelu takej jednoduchej schémy je balík Multisim dokonalý - je najjednoduchšie sa učiť zo všetkého, čo viem, a vyžaduje najmenej zdrojov.

Jeho modelovacie algoritmy sú však jednoduchšie ako v Orcad alebo Simulink (hoci ide o matematické modelovanie, nie simuláciu), preto výsledky modelovania niektorých schém nie sú spoľahlivé. Multisim je vhodný na štúdium základov elektroniky, prevádzkových režimov tranzistorov, operačných zosilňovačov.

Nepodceňujte možnosti tohto programu, so správnym prístupom, môže zobraziť prácu zložitých zariadení.

Budeme uvažovať o modeloch prvých dvoch obvodov, tretí obvod je v podstate podobný druhému, ale má menšie straty v dôsledku vylúčenia dvoch kľúčov a väčšej zložitosti - v dôsledku potreby použiť transformátor s odbočkou zo stredu sekundárneho vinutia.

Polvlnný obvod

Schéma, pomocou ktorej simulácia

Zdroj energie simuluje jednofázovú domácu sieť s nasledujúcimi charakteristikami:

• sínusový prúd;

• Napätie 220 V rms;

• frekvencia - 50 Hz.

V programe som nenašiel ampérmeter a voltmeter, svoju úlohu zohrávajú multimetre. Neskôr venujte pozornosť množstvu ich nastavení a možnosti zvoliť typ prúdu.

V danom modeli multimeter XMM1 - meria prúd v záťaži, XMM3 - napätie na výstupe usmerňovača, XMM2 - napätie na vstupe, XSC2 - osciloskop. Venujte pozornosť podpisom prvkov - pri analýze výkresov, ktoré budú nižšie, sa vylúčia otázky. Mimochodom, Multisim predstavuje modely reálnych diód, vybral som najbežnejší 1n4007.

Krivka na vstupe (kanál A) v poli s výsledkami merania je zobrazená červenou farbou. V modrom - výstupné napätie (kanál B). Pre prvý kanál je cena vertikálnej divízie jednej bunky 200 V / div a pre druhý kanál 500. Zámerne som to urobila, aby som vizuálne oddelila krivky, inak by sa zlúčili.Žltá zvislá čiara v ľavej tretine obrazovky je meter, hodnota napätia v bode s maximálnou amplitúdou je opísaná pod čiernou obrazovkou.

Vstupná amplitúda je 311,128 V, ako bolo povedané na začiatku článku, a výstupná amplitúda je 310,281, rozdiel takmer jedného voltu je spôsobený poklesom diódy. Na pravej strane obrázka sú výsledky multimeterového merania. Názvy okien zodpovedajú názvom multimetrov XMM v obvode.

Z grafu vidíme, že do záťaže je privedená skutočne iba jedna polovica vlny a jej priemerná hodnota je 98 V, čo je o dve viac ako vstupný prúd 220 V AC.

V nasledujúcom diagrame sme pridali filtračný kondenzátor a jeden multimeter na meranie záťažového prúdu, nezabudnite na ich podpisy, aby ste sa pri štúdiu výkresov nezamieňali.

Rezistor pred diódou je potrebný na meranie nabíjacieho prúdu kondenzátora na zistenie prúdu - vydelte počet voltov 1 (odpor). V budúcnosti si však všimneme, že pri vysokých prúdoch značný pokles napätia cez rezistor, ktorý môže byť pri meraniach mätúci, v reálnych podmienkach - by to spôsobilo zahriatie rezistora a stratu účinnosti.

Krivka zobrazuje vstupné napätie oranžovou farbou a vstupný prúd červenou farbou. Mimochodom, prúdový posun je zrejmý v smere postupu napätia.

Na vlnovom tvare výstupného signálu vidíme, ako to funguje kondenzátor - napätie v záťaži, keď je dióda uzavretá a jedna polovica vlny prechádza, plynulo klesá, jej priemerná hodnota stúpa a vlnenie klesá. Po pozitívnej polvlne sa kondenzátor nabije a proces sa opakuje.

Zvýšením zaťažovacieho odporu faktorom 10 sme znížili prúd, kondenzátor nemal čas na vybitie, vlnky sa stali omnoho menej, a tak sme dokázali teoretické informácie opísané v predchádzajúcej časti o vlnách a vplyve prúdu a kapacity na ne. Aby sme to dokázali, mohli by sme zmeniť kapacitu kondenzátora.

Zmenil sa aj vstupný signál - nabíjacie prúdy sa znížili a ich tvar zostal rovnaký.

Polvlnný obvod

Pozrime sa, ako vyzerá rektifikačná schéma oboch polčasov v akcii. Pri vchode sme nainštalovali diódový most.

Oscilogramy ukazujú, že obe záťaže vstupujú do záťaže, ale vlnky sú veľmi veľké.

Dolná polovica polovice vlny pri prúde (v červenej farbe) sa objavila na vstupnej vlnovej forme.

Znížte zvlnenie inštaláciou filtračného elektrolytického kondenzátora na vstupe. V praxi je žiaduce inštalovať paralelne keramickú keramiku, aby sa znížili vysokofrekvenčné zložky sínusoidy (harmonické).

Vstupný tvar vlny ukazuje, že inverzná polvlna bola pridaná, keď bol kondenzátor nabitý (po premostení sa stane pozitívnym).

Výstupný tvar vlny ukazuje, že zvlnenie sa zmenšilo ako v prvom obvode s filtračným kondenzátorom. Všimnite si, že napätie má tendenciu k amplitúde, čím menšie vlnenie, tým je jeho priemerná hodnota bližšia k amplitúde.

Ak 20-násobne zvýšime záťažový prúd a znížime jeho odpor, na výstupe uvidíme silné vlnenie.

A pri väčších prúdoch nábojov na vstupe je posun fázového prúdu veľmi zreteľný. Proces nabíjania kondenzátora nedochádza lineárne, ale exponenciálne, takže vidíme, že napätie stúpa a prúd klesá.

záver

Usmerňovače sa široko používajú vo všetkých oblastiach elektroniky a elektriny všeobecne. Usmerňovacie obvody sú inštalované všade - od miniatúrnych zdrojov napájania a rádií po elektrické obvody najvýkonnejších jednosmerných motorov v žeriavovom zariadení.

Simulácia dokonale pomáha pochopiť procesy prebiehajúce v obvodoch a študovať, ako sa menia prúdy pri zmene parametrov obvodu. Vývoj moderných technológií umožňuje štúdium zložitých elektrických procesov bez drahého vybavenia, ako sú spektrálne analyzátory, frekvenčné merače, osciloskopy, záznamové zariadenia a ultra presné voltammetre. Zabraňuje chybám pri navrhovaní obvodov pred montážou.