Μονοφασικοί ανορθωτές: τυπικά κυκλώματα, κυματομορφές και μοντελοποίηση

Ένας ανορθωτής χρησιμοποιείται σε ένα κύκλωμα AC για να το μετατρέψει σε DC. Το πιο συνηθισμένο είναι ένας ανορθωτής συναρμολογημένος από διόδους ημιαγωγών. Ταυτόχρονα, μπορεί να συναρμολογηθεί από διακριτές (ξεχωριστές) δίοδοι ή μπορεί να είναι σε μία θήκη (συναρμολόγηση δίοδος).

Ας δούμε τι είναι ένας ανορθωτής, τι είναι, και στο τέλος του άρθρου θα κάνουμε προσομοίωση σε ένα περιβάλλον Multisim. Η μοντελοποίηση συμβάλλει στην εδραίωση της θεωρίας στην πράξη, χωρίς τη συναρμολόγηση και τα πραγματικά συστατικά, να δούμε τις μορφές τάσεων και ρευμάτων στο κύκλωμα.

Κύκλωμα ανορθωτή AC

Οι παραπάνω εικόνες δείχνουν την εμφάνιση διόδων γεφυρών. Αλλά αυτό δεν είναι το μόνο σχέδιο ισιώματος. Για μονοφασική τάση, υπάρχουν τρία κοινά συστήματα αποκατάστασης:

1,1-ημι-περίοδο (1ph1n).

2. 2-μισή περίοδο (1ph2p).

3. 2-μισή περίοδο με ένα μέσο (1ph2p).

Σχέδιο διόρθωσης μισού κύματος

Το απλούστερο κύκλωμα αποτελείται από μία μόνο δίοδο, η οποία δίνει μια σταθερή μη σταθεροποιημένη τάση κύματος στην έξοδο. Οι δίοδοι συνδέονται στο κύκλωμα ισχύος μέσω ενός καλωδίου φάσης ή μέσω ενός από τους ακροδέκτες της περιέλιξης του μετασχηματιστή, το δεύτερο άκρο στο φορτίο, ο δεύτερος πόλος φόρτισης στο ουδέτερο σύρμα ή ο δεύτερος ακροδέκτης της περιέλιξης του μετασχηματιστή.

Η πραγματική τιμή της τάσης στο φορτίο είναι περίπου το ήμισυ του εύρους. Η τιμή πλάτους της τάσης είναι το πλάτος του ημιτονοειδούς κύματος του δικτύου παροχής στην γενική περίπτωση εναλλασσόμενου ρεύματος

Uampl = Απενεργοποίηση * √2.

Για τα ηλεκτρικά δίκτυα στη Ρωσία, η τάση λειτουργίας ενός μονοφασικού δικτύου είναι 220 V και το πλάτος είναι περίπου 311

Με απλά λόγια - στην έξοδο παίρνουμε κυμαινόμενο μισό μήκος της περιόδου (20 ms για 50 Hz) από 0 V σε 311 V. Κατά μέσο όρο, η τάση είναι μικρότερη από 220 volts, χρησιμοποιείται για να τροφοδοτεί τους άνευ τείχους καταναλωτές ποιότητας τάσης ή να ανάβει τους λαμπτήρες πυράκτωσης σε βοηθητικά δωμάτια και βοηθητικά δωμάτια. Αυτό μειώνει την κατανάλωση ενέργειας και αυξάνει τη διάρκεια ζωής.

Λυρική απόκλιση:

Η ανθεκτικότητα αυτών των λαμπτήρων είναι κολοσσιαία, ήρθα στο εργαστήριο πριν από ένα χρόνο και η λάμπα εγκαταστάθηκε πάλι το 2013, οπότε εξακολουθεί να λάμπει για 12 ώρες κάθε μέρα. Αλλά αυτό το φως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε χώρους εργασίας, λόγω της υψηλής κυματισμού. Τα παλμογράφημα των τάσεων εισόδου και εξόδου φαίνονται παρακάτω:

Το κύκλωμα μισών κυμάτων κόβει μόνο ένα μισό κύμα, το οποίο βλέπετε στο παραπάνω διάγραμμα. Λόγω αυτής της τροφοδοσίας, έχουμε ένα μεγάλο κυματισμό παράγοντα.

Αξίζει να πούμε ότι εάν αλλάξετε λίγο το θέμα και αλλάξετε από τους ανορθωτές δικτύου, τότε χρησιμοποιείται ένα κύκλωμα μισού κύματος σε παλμικά κυκλώματα, τάση επαναφοράς μετασχηματιστή παλμικού πηνίου δευτερεύοντα.

Στις χαμηλής κατανάλωσης τροφοδοτικά, το κύκλωμα αυτό χρησιμοποιείται επίσης. Αυτός ακριβώς είναι ο τρόπος με τον οποίο το φορητό σας τηλέφωνο είναι πιο πιθανό να φτιαχτεί.

Κύκλωμα μισού κύματος

Για να μειωθεί ο συντελεστής κυματομορφής και η χωρητικότητα του φίλτρου, χρησιμοποιείται ένα άλλο σχήμα - ημι-κύκλος. Καλείται - γέφυρα δίοδος. Εναλλασσόμενη τάση τροφοδοτείται στο σημείο σύνδεσης των αντίθετων πόλων των διόδων και σταθερή σε σημάδι από το ίδιο όνομα. Η τάση εξόδου μιας τέτοιας γέφυρας καλείται διορθωμένη παλμική (ή όχι σταθεροποιημένη). Είναι αυτή η συμπερίληψη διόδων που είναι πιο συνηθισμένη σε όλους τους τομείς της ηλεκτρονικής.

Από τα διαγράμματα βλέπετε ότι και το δεύτερο μισό κύμα της εναλλασσόμενης τάσης «αναδιπλώνεται» και εισέρχεται στο φορτίο. Στο πρώτο μισό της περιόδου, το ρεύμα ρέει μέσω των διόδων VD1-VD4, στο δεύτερο μέσω ενός ζεύγους VD2-VD3.

Η τάση εξόδου παλμούς σε συχνότητα 100 Hz

Το δεύτερο κύκλωμα χρησιμοποιείται σε τροφοδοτικά με ένα μεσαίο σημείο, στην πραγματικότητα αυτά είναι δύο μισοκύματα σε συνδυασμό με τη δευτερεύουσα περιέλιξη ενός μετασχηματιστή με ένα μεσαίο σημείο. Οι άνοδοι συνδέονται με τα ακραία άκρα της περιέλιξης, οι κάθοδοι συνδέονται σε ένα τερματικό φορτίου (θετικό), ο δεύτερος ακροδέκτης φορτίου συνδέεται με τη βρύση από τη μέση της περιέλιξης (μεσαίο σημείο).

Το γράφημα τάσης εξόδου είναι παρόμοιο και δεν θα το εξετάσουμε. Η μόνη σημαντική διαφορά είναι ότι το ρεύμα ρέει ταυτόχρονα μέσω μίας διόδου και όχι μέσω ενός ζεύγους όπως σε μια γέφυρα. Αυτό μειώνει την απώλεια ενέργειας στη γέφυρα διόδου και την περίσσεια θέρμανσης των ημιαγωγών.

Μείωση του συντελεστή ανατροπής

Ο συντελεστής κυματομορφής είναι μια τιμή που αντανακλά πόσο αυξάνεται η τάση εξόδου. Ή αντίστροφα - πόσο σταθερό και ομοιόμορφο το ρεύμα τροφοδοτείται στο φορτίο.

Για να μειωθεί ο συντελεστής κυμάτωσης παράλληλα με το φορτίο (την έξοδο της γέφυρας δίοδος), εγκαθίστανται διάφορα φίλτρα. Η ευκολότερη επιλογή είναι να εγκαταστήσετε έναν πυκνωτή. Προκειμένου οι κυματισμοί να είναι όσο το δυνατόν μικρότεροι, η σταθερά χρόνου φίλτρου R του φορτίου του φίλτρου θα πρέπει να είναι τάξη μεγέθους (ή μάλλον αρκετά) μεγαλύτερη από την περίοδο κυματισμού (στην περίπτωση μας, 10 ms).

Για αυτό, είτε το φορτίο πρέπει να έχει υψηλή αντίσταση και χαμηλό ρεύμα, είτε η χωρητικότητα του πυκνωτή είναι αρκετά μεγάλη.

Η υπολογιζόμενη αναλογία για την επιλογή ενός πυκνωτή έχει ως εξής:

Kp είναι ο απαιτούμενος συντελεστής κυμάτωσης.

Kп = Uampl / Uavr

Για να βελτιωθούν ορισμένα χαρακτηριστικά φίλτρου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν κυκλώματα LC συνδεδεμένα σύμφωνα με το σχέδιο φίλτρου D ή P, σε ορισμένες περιπτώσεις άλλες διαμορφώσεις. Το μειονέκτημα της χρήσης φίλτρων LC σε ερασιτεχνική ραδιοφωνική πρακτική είναι η ανάγκη επιλογής ενός στραγγαλιστικού πηνίου φίλτρου. Και η σωστή για την ονομαστική τιμή (επαγωγή και ρεύμα) συχνά δεν είναι διαθέσιμη. Ως εκ τούτου, πρέπει είτε να κάνετε wind σας μόνοι σας, είτε να βγείτε από την τρέχουσα κατάσταση με άλλο τρόπο - με την απομάκρυνση από μια τροφοδοτική μονάδα παρόμοιας χωρητικότητας.

Προσομοίωση μονοφασικών ανορθωτών

Ας καθορίσουμε αυτές τις πληροφορίες στην πράξη και κατεβαίνουμε στα μοντέλα των ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Αποφάσισα ότι για να δημιουργήσετε ένα μοντέλο ενός τόσο απλού σχεδίου, το πακέτο Multisim είναι τέλειο - είναι το πιο εύκολο να μάθουμε από όλα όσα γνωρίζω και απαιτεί λιγότερους πόρους.

Ωστόσο, οι αλγόριθμοι μοντελοποίησής του είναι απλούστεροι από τους Orcad ή Simulink (αν και αυτό είναι μαθηματικό μοντέλο, όχι προσομοίωση), επομένως, τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης ορισμένων σχημάτων δεν είναι αξιόπιστα. Το Multisim είναι κατάλληλο για τη μελέτη των βασικών λειτουργιών των ηλεκτρονικών, των τρόπων λειτουργίας των τρανζίστορ, των λειτουργικών ενισχυτών.

Μην υποτιμάτε τις δυνατότητες αυτού του προγράμματος, με την κατάλληλη προσέγγιση, μπορεί να εμφανίσει το έργο σύνθετων συσκευών.

Θα εξετάσουμε τα μοντέλα των δύο πρώτων κυκλωμάτων, το τρίτο κύκλωμα είναι ουσιαστικά παρόμοιο με το δεύτερο, αλλά έχει λιγότερες απώλειες εξαιτίας του αποκλεισμού δύο πλήκτρων και μεγαλύτερης πολυπλοκότητας - λόγω της ανάγκης χρήσης μετασχηματιστή με βρύση από τη μέση του δευτερεύοντος τυλίγματος.

Κύκλωμα μισού κύματος

Το σύστημα με το οποίο γίνεται η προσομοίωση

Η πηγή ισχύος προσομοιώνει ένα μονοφασικό οικιακό δίκτυο με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:

• ημιτονοειδές ρεύμα;

• Τάση 220 V rms.

• συχνότητα - 50 Hz.

Δεν βρήκα ένα αμπερόμετρο και βολτόμετρο στο πρόγραμμα · τα πολύμετρα παίζουν το ρόλο τους. Αργότερα, δώστε προσοχή στην αφθονία των ρυθμίσεών τους και τη δυνατότητα επιλογής του τύπου ρεύματος.

Στο δεδομένο μοντέλο, το μετρητή XMM1 - μετρά το ρεύμα στο φορτίο, το XMM3 - την τάση στην έξοδο του ανορθωτή, το XMM2 - την τάση στην είσοδο, το XSC2 - τον παλμογράφο. Δώστε προσοχή στις υπογραφές των στοιχείων - αυτό θα αποκλείσει ερωτήσεις κατά την ανάλυση των σχεδίων, τα οποία θα είναι κάτω. Με την ευκαιρία, η Multisim παρουσιάζει μοντέλα πραγματικών διόδων, επέλεξα το πιο κοινό 1n4007.

Η κυματομορφή στην είσοδο (κανάλι Α) στο πεδίο με τα αποτελέσματα μέτρησης εμφανίζεται με κόκκινο χρώμα. Σε μπλε - τάση εξόδου (κανάλι Β). Για το πρώτο κανάλι, η τιμή κατακόρυφης διαίρεσης ενός κελιού είναι 200 ​​V / div, και για το δεύτερο κανάλι είναι 500. Κάναμε σκόπιμα αυτό για να διαχωρίσουμε τις κυματομορφές οπτικά αλλιώς συγχωνεύθηκαν.Η κίτρινη κάθετη γραμμή στο αριστερό τρίτο της οθόνης είναι ένας μετρητής, η τιμή τάσης σε ένα σημείο με μέγιστο εύρος περιγράφεται κάτω από τη μαύρη οθόνη.

Το εύρος εισόδου είναι 311.128 V, όπως αναφέρθηκε στην αρχή του άρθρου και το πλάτος εξόδου είναι 310.281, μια διαφορά σχεδόν ενός volt οφείλεται σε πτώση στη δίοδο. Στη δεξιά πλευρά της εικόνας εμφανίζονται αποτελέσματα μετρήσεων πολυμέτρων. Τα ονόματα των παραθύρων αντιστοιχούν στα ονόματα των πολυμέτρων XMM στο κύκλωμα.

Από το διάγραμμα βλέπουμε ότι μόνο το ένα μισό κύμα τάσης τροφοδοτείται στο φορτίο και η μέση τιμή του είναι 98 V, η οποία είναι περισσότερο από δύο μικρότερη από το ρεύμα εισόδου 220 V AC στο σήμα.

Στο παρακάτω διάγραμμα, προσθέσαμε έναν πυκνωτή φιλτραρίσματος και ένα πολύμετρο για να μετρήσουμε το ρεύμα φορτίου, θυμηθείτε τις υπογραφές τους έτσι ώστε να μην συγχέονται κατά τη μελέτη των σχεδίων.

Η αντίσταση μπροστά από τη δίοδο είναι απαραίτητη για τη μέτρηση του ρεύματος φόρτισης του πυκνωτή για να μάθετε το ρεύμα - διαιρέστε τον αριθμό των βολτ με 1 (αντίσταση). Ωστόσο, στο μέλλον θα παρατηρήσουμε ότι σε υψηλά ρεύματα μια σημαντική τάση πέφτει κατά μήκος της αντίστασης, η οποία μπορεί να προκαλέσει σύγχυση κατά τη διάρκεια των μετρήσεων, σε πραγματικές συνθήκες - αυτό θα μπορούσε να προκαλέσει τη θέρμανση και την απώλεια της απόδοσης.

Η κυματομορφή δείχνει την τάση εισόδου με πορτοκαλί χρώμα και το ρεύμα εισόδου με κόκκινο χρώμα. Παρεμπιπτόντως, παρατηρείται μια μετατόπιση ρεύματος προς την κατεύθυνση της προώθησης της τάσης.

Στην κυματομορφή του σήματος εξόδου, βλέπουμε πώς λειτουργεί πυκνωτή - η τάση στο φορτίο ενώ η δίοδος είναι κλειστή και το μισό κύμα περνά, μειώνεται ομαλά, η μέση τιμή της αυξάνεται και η κυμάτωση μειώνεται. Μετά, σε ένα θετικό μισό κύμα, ο πυκνωτής επαναφορτίζεται και η διαδικασία επαναλαμβάνεται.

Με την αύξηση της αντοχής του φορτίου κατά 10 φορές, μειώσαμε το ρεύμα, ο πυκνωτής δεν είχε χρόνο να αποφορτιστεί, η ροή έγινε πολύ μικρότερη, έτσι αποδείξαμε τις θεωρητικές πληροφορίες που περιγράφηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο σχετικά με τις κυματιστές και την επίδραση του ρεύματος και της χωρητικότητας σε αυτές. Για να το δείξουμε αυτό, θα μπορούσαμε να αλλάξουμε την χωρητικότητα του πυκνωτή.

Το σήμα εισόδου άλλαξε επίσης - τα ρεύματα φόρτισης μειώθηκαν και το σχήμα τους παρέμεινε το ίδιο.

Κύκλωμα μισού κύματος

Ας δούμε πώς φαίνεται το σχέδιο αποκατάστασης και των δύο μισών περιόδων στη δράση. Εγκαταστήσαμε μια γέφυρα δίοδος στην είσοδο.

Οι παλμογράφοι δείχνουν ότι και τα δύο μισά κύματα εισέρχονται στο φορτίο, αλλά οι κυματισμοί είναι πολύ μεγάλοι.

Το κάτω μισό του μισού κύματος στο ρεύμα (με κόκκινο χρώμα) εμφανίστηκε στην κυματομορφή εισόδου.

Μειώστε την κυματισμός με την εγκατάσταση ενός φίλτρου ηλεκτρολυτικού πυκνωτή στην είσοδο. Στην πράξη, είναι επιθυμητό να εγκατασταθεί κεραμικό παράλληλα με αυτό, προκειμένου να μειωθούν τα συστατικά υψηλής συχνότητας των ημιτονοειδών (αρμονικών).

Η κυματομορφή εισόδου δείχνει ότι το αντίστροφο μισό κύμα προστέθηκε όταν ο πυκνωτής φορτώθηκε (γίνεται θετικός μετά τη γέφυρα).

Η κυματομορφή εξόδου δείχνει ότι η κυμάτωση είναι μικρότερη από ό, τι στο πρώτο κύκλωμα με έναν πυκνωτή φιλτραρίσματος, σημειώστε ότι η τάση τείνει προς το εύρος, τόσο μικρότερη είναι η κυμάτωση, τόσο πιο κοντά είναι η μέση τιμή του πλάτους.

Εάν αυξήσουμε το ρεύμα φορτίου κατά 20 φορές, μειώνοντας την αντίσταση του, θα παρατηρήσουμε ισχυρές κυματισμούς στην έξοδο.

Και μεγαλύτερα ρεύματα των φορτίων στην είσοδο, η αλλαγή φάσης ρεύματος είναι πολύ αισθητή. Η διαδικασία φόρτισης του πυκνωτή δεν συμβαίνει γραμμικά, αλλά εκθετικά, οπότε βλέπουμε ότι η τάση ανεβαίνει και το ρεύμα πέφτει.

Συμπέρασμα

Οι ανορθωτές χρησιμοποιούνται ευρέως σε όλους τους τομείς της ηλεκτρονικής και της ηλεκτρικής ενέργειας γενικά. Τα κυκλώματα ανορθωτών εγκαθίστανται παντού - από μικροσκοπικά τροφοδοτικά και ραδιόφωνα έως κυκλώματα ισχύος των ισχυρότερων κινητήρων DC σε εξοπλισμό γερανών.

Η προσομοίωση βοηθά τέλεια στην κατανόηση των διαδικασιών που συμβαίνουν στα κυκλώματα και στη μελέτη του τρόπου αλλαγής των ρευμάτων καθώς αλλάζουν οι παράμετροι του κυκλώματος. Η ανάπτυξη σύγχρονων τεχνολογιών επιτρέπει τη μελέτη σύνθετων ηλεκτρικών διεργασιών χωρίς ακριβό εξοπλισμό όπως φασματικοί αναλυτές, μετρητές συχνότητας, παλμογράφοι, καταγραφείς και εξαιρετικά ακριβή βολταμετρικά. Αποφεύγει τα σφάλματα κατά το σχεδιασμό κυκλωμάτων πριν από τη συναρμολόγηση.