Yksivaiheiset tasasuuntaajat: tyypilliset piirit, aaltomuodot ja mallinnus

Tasasuuntaajaa käytetään vaihtovirtapiirissä sen muuntamiseksi tasavirtaksi. Yleisin on tasasuuntaaja, joka on koottu puolijohdediodeista. Samanaikaisesti se voidaan koota erillisistä (erillisistä) diodeista tai se voi olla yhdessä kotelossa (diodikokoonpano).

Katsotaanpa mikä on tasasuuntaaja, mitä ne ovat, ja artikkelin lopussa suoritamme simulaation Multisim-ympäristössä. Mallinnus auttaa vakiinnuttamaan teoriaa käytännössä, ilman kokoonpanoa ja todellisia komponentteja, tarkastelemaan jännitteiden ja virtojen muotoja piirissä.

AC-tasasuuntaajapiirit

Yllä olevat kuvat osoittavat diodesiltojen ulkonäköä. Mutta tämä ei ole ainoa suoristusjärjestelmä. Yksivaiheiselle jännitteelle on kolme yleistä oikaisujärjestelmää:

1,1-puolijakso (1ph1n).

2. 2-puolijakso (1ph2p).

3. 2 puolijakso keskipisteellä (1ph2p).

Puoliaallon oikaisujärjestelmä

Yksinkertaisin piiri koostuu vain yhdestä diodista, joka antaa vakiona epästabiloidun aaltojännitteen ulostulossa. Diodit on kytketty virtapiiriin vaihejohtimella tai muuntajan käämityksen yhdellä päätteellä, toinen pää kuormalle, toinen kuormanapa neutraalijohdolle tai muuntajan käämityksen toinen napa.

Kuorman jännitteen efektiivinen arvo on noin puolet amplitudista. Jännitteen amplitudiarvo on syöttöverkon siniaaltoalueen amplitudi yleensä vaihtovirtaan

Uampl = Toiminta * √2.

Venäjän sähköverkoissa yksivaiheisen verkon käyttöjännite on 220 V, ja amplitudi on noin 311

Yksinkertaisin sanoin - ulostulossa saamme väreilyä puolijakson ajan (20 ms 50 Hz: llä) välillä 0 V - 311 V. Keskimäärin jännite on alle 220 volttia. Tätä käytetään virrankuluttamiseen jännitteen laadulle vaarattomille kuluttajille tai hehkulamppujen kytkemiseksi päälle. kodinhoitohuoneissa ja kodinhoitohuoneissa. Tämä vähentää virrankulutusta ja pidentää käyttöikää.

Lyyrinen poikkeama:

Tällaisten lamppujen kestävyys on suuri, tulin työpajaan vuosi sitten, ja lamppu asennettiin takaisin vuonna 2013, joten se loistaa edelleen 12 tuntia päivittäin. Mutta tällaista valoa ei voida käyttää työhuoneissa korkean aaltoilun takia. Tulo- ja lähtöjännitteiden oskillalogrammit esitetään alla:

Puoliaaltopiiri katkaisee vain yhden puoliaallon, mikä on yllä olevan kaavion mukainen. Tämän virtalähteen takia saamme suuren ripplekerroksen.

On syytä sanoa, että jos muutat aihetta hiukan ja siirryt verkon tasasuuntaajilta, niin puoliaaltopiiriä käytetään laajasti pulssipiireissä, tasasuuntaamaan jännitettä pulssikelamuuntaja toissijainen.

Tätä virtapiiriä käytetään myös pienitehoisissa kytkentävirtalähteissä. Juuri näin matkapuhelimen laturi tehdään.

Puoliaaltopiiri

Aaltoutuskertoimen ja suodatuskapasiteetin pienentämiseksi käytetään toista kaavaa - kaksi puolijaksoa. Sitä kutsutaan - diodisilta. Diodien vastakkaisten napojen kytkentäpisteeseen syötetään vaihtojännitettä ja vakio merkillä samasta nimestä. Tällaisen sillan lähtöjännitettä kutsutaan tasasuuntautuneeksi (tai ei vakautettuna). Juuri tämä diodien sisällyttäminen on yleisintä kaikilla elektroniikan aloilla.

Kaavioissa näet, että sekä vaihtojännitteen toinen puoli-aalto “flip” ja tulee kuormaan. Jakson ensimmäisellä puoliskolla virta virtaa diodien VD1-VD4 läpi, toisessa VD2-VD3-parin läpi.

Lähtöjännite sykkää taajuudella 100 Hz

Toista piiriä käytetään teholähteissä, joissa on keskipiste, itse asiassa nämä ovat kaksi puoliaalloa yhdistettynä keskipisteen sisältävän muuntajan toisiokäämiin. Anodit on kytketty käämin ääripäähän, katodit on kytketty yhteen kuormitusliittimeen (positiivinen), toinen kuormaterminaali on kytketty hanaan käämin keskeltä (keskipiste).

Lähtöjännitekaavio on samanlainen, emmekä ota sitä huomioon. Ainoa merkittävä ero on, että virta virtaa samanaikaisesti yhden diodin läpi, eikä parin läpi kuin sillassa. Tämä vähentää diodisillan energiahäviötä ja puolijohteiden ylimääräistä lämmitystä.

Ripple-tekijän vähennys

Kopiointikerroin on arvo, joka heijastaa kuinka paljon lähtöjännite aaltoilee. Tai päinvastoin - kuinka vakaa ja tasaisesti virta syötetään kuormaan.

Aaltoilukertoimen pienentämiseksi samanaikaisesti kuorman (diodisillan lähtö) kanssa asennetaan erilaisia ​​suodattimia. Helpoin vaihtoehto on asentaa kondensaattori. Jotta aallot ovat mahdollisimman pieniä, suodattimen kuorman suodatusaikavakion R tulisi olla suuruusluokkaa (tai pikemminkin useita) suurempi kuin aaltoiluaika (tässä tapauksessa 10 ms).

Tätä varten joko kuormalla on oltava korkea vastus ja matala virta tai kondensaattorin kapasitanssi on riittävän suuri.

Laskettu suhde kondensaattorin valitsemiseksi on seuraava:

Kp on vaadittava ripplekerroin.

Kп = Uampl / Uavr

Lukuisten suodatinominaisuuksien parantamiseksi voidaan käyttää D- tai P-suodatinmallin mukaisesti kytkettyjä LC-piirejä, joissakin tapauksissa muita konfiguraatioita. LC-suodattimien käytön haitta amatööriradiokäytännössä on tarve valita suodatinkuristin. Ja oikea nimellisarvolle (induktanssi ja virta) ei usein ole käsillä. Siksi sinun on joko käärittävä se itse tai poistettava nykyisestä tilanteesta jollain muulla tavalla - pudottamalla pois saman kapasiteetin omaavasta virtalähdeyksiköstä.

Yksivaiheisten tasasuuntaajien simulointi

Korjataan nämä tiedot käytännössä ja siirrytään mallien sähköpiireihin. Päätin, että Multisim-paketti on täydellinen mallin luomiseksi niin yksinkertaisesta kaaviosta - se on helpoin oppia kaikista tiedistäni ja vaatii vähiten resursseja.

Hänen mallinnusalgoritmit ovat kuitenkin yksinkertaisempia kuin Orcadissa tai Simulinkissä (vaikka tämä onkin matemaattinen mallintaminen, ei simulointi), joten joidenkin mallien mallinnustulokset eivät ole luotettavia. Multisim sopii elektroniikan perusteiden, transistorin toimintatapojen, operaatiovahvistimien tutkimiseen.

Älä aliarvioi tämän ohjelman ominaisuuksia. Oikealla lähestymistavalla se voi näyttää monimutkaisten laitteiden työn.

Tarkastellaan kahden ensimmäisen piirin malleja, kolmas piiri on olennaisesti samanlainen kuin toinen, mutta siinä on vähemmän häviöitä kahden avaimen poissulkemisen vuoksi ja suurempi monimutkaisuus - johtuen tarpeesta käyttää muuntajaa, jolla on hana toissijaisen käämin keskeltä.

Puoliaaltopiiri

Kaavio, jolla simulointi

Virtalähde simuloi yksivaiheista kotitalousverkkoa seuraavilla ominaisuuksilla:

• sinimuotoinen virta;

• 220 V rms jännite;

• taajuus - 50 Hz.

En löytänyt ampeerimittaria ja volttimittaria ohjelmasta; yleismittarit toimivat roolissaan. Myöhemmin, kiinnitä huomiota niiden asetusten runsauteen ja kykyyn valita virran tyyppi.

Annetussa mallissa yleismittari XMM1 - mittaa kuorman virran, XMM3 - jännite tasasuuntaajan ulostulossa, XMM2 - jännite tulossa, XSC2 - oskilloskooppi. Kiinnitä huomiota elementtien allekirjoituksiin - tämä sulkee pois kysymykset analysoitaessa alla olevia piirroksia. Muuten, Multisim esittelee malleja oikeista diodeista, valitsin yleisimmän 1n4007.

Aaltomuoto tulosignaalin (kanava A) kentässä mittaustulosten kanssa näytetään punaisella. Sinisellä - lähtöjännite (kanava B). Ensimmäisellä kanavalla yhden solun pystysuora jakohinta on 200 V / div, ja toisella kanavalla se on 500. Tein tämän tarkoituksella erottaaksesi aaltomuodot visuaalisesti, muuten ne yhdistyivät.Keltainen pystysuora viiva näytön vasemmassa kolmannessa on metri, jännitearvo pisteessä, jolla on suurin amplitudi, kuvataan mustan näytön alapuolella.

Tuloamplitudi on 311.128 V, kuten artikkelin alussa sanottiin, ja lähtöamplitudi on 310,281, melkein yhden voltin ero johtuu diodin pudotuksesta. Kuvan oikealla puolella on yleismittarin mittaustulokset. Ikkunoiden nimet vastaavat piirissä olevien XMM-yleismittarien nimiä.

Kaaviosta näemme, että kuormaan syötetään todella vain yksi jännitteen puoli-aalto ja sen keskimääräinen arvo on 98 V, mikä on enemmän kuin kaksi pienempi kuin merkissä oleva syöttövirta 220 V AC.

Seuraavaan kaavioon lisäsimme suodatuskondensaattorin ja yhden yleismittarin kuormitusvirran mittaamiseksi, muista niiden allekirjoitukset, jotta sekaan ei sekoittuisi piirustuksia tutkiessa.

Diodin edessä olevaa vastusta tarvitaan kondensaattorin varausvirran mittaamiseen virran selvittämiseksi - jaa volttien lukumäärä yhdellä (vastus). Tulevaisuudessa huomaamme kuitenkin, että suurilla virroilla vastuksen yli putoaa merkittävä jännite, mikä voi olla hämmentävä mittausten aikana, todellisissa olosuhteissa - tämä aiheuttaisi vastuksen kuumenemisen ja tehokkuuden menetyksen.

Aaltomuoto näyttää tulojännitteen oranssina ja tulovirta punaisena. Muuten, virransiirto on havaittavissa jännitteen etenemissuuntaan.

Tulosignaalin aaltomuodossa näemme sen toiminnan kondensaattori - kuorman jännite diodin ollessa kiinni ja puoli-aalto kulkee, laskee tasaisesti, sen keskiarvo nousee ja aalto pienenee. Sen jälkeen positiivisella puoliaallolla kondensaattori latautuu ja prosessi toistuu.

Kasvatamalla kuormituskestävyyttä kertoimella 10, pienensimme virtaa, kondensaattorilla ei ollut aikaa purkautua, aallot tulivat paljon vähemmän, joten todistimme edellisessä osassa kuvatun teoreettisen tiedon aallotuksista sekä virran ja kapasiteetin vaikutuksesta niihin. Tämän osoittamiseksi voimme muuttaa kondensaattorin kapasitanssia.

Myös tulosignaali muuttui - latausvirrat pienenivät ja niiden muoto pysyi samana.

Puoliaaltopiiri

Katsotaanpa miten molemman puolijakson oikaisujärjestelmä näyttää käytännössä. Asensimme diodesillan sisäänkäynnille.

Oscillogrammit osoittavat, että molemmat puoliaallot tulevat kuormaan, mutta aallot ovat erittäin suuret.

Puoliaallon alempi puoli virralla (punaisella) ilmestyi tuloaaltomuodossa.

Vähennä aaltoilua asentamalla suodattimeen elektrolyyttikondensaattori tuloon. Käytännössä on toivottavaa asentaa keraaminen kera rinnakkain sen kanssa sinusoidin korkean taajuuden komponenttien (harmonisten) vähentämiseksi.

Tuloaaltomuoto osoittaa, että käänteinen puoliaalto lisättiin kondensaattorin latauksen aikana (se muuttuu positiiviseksi sillan jälkeen).

Lähtöaaltomuoto osoittaa, että aaltoilusta tuli vähemmän kuin ensimmäisessä piirissä suodatuskondensaattorilla. Huomaa, että jännite taipuu amplitudille, mitä pienempi aaltoilu, sitä lähempänä sen keskiarvo on amplitudille.

Jos nostamme kuormavirtaa 20 kertaa vähentämällä sen vastusta, näemme ulostulossa voimakkaita aallotuksia.

Ja suurempia tulovirran tuloja, vaihevirran muutos on erittäin havaittavissa. Kondensaattorin latausprosessi ei tapahdu lineaarisesti, vaan eksponentiaalisesti, joten näemme, että jännite nousee ja virta laskee.

johtopäätös

Tasasuuntaajia käytetään laajalti kaikilla elektroniikan ja yleisesti sähkön aloilla. Tasasuuntaajapiirit on asennettu kaikkialle - pienoisvirtalähteistä ja radioista nostureiden tehokkaimpien tasavirtamoottorien virtapiireihin.

Mallinnus auttaa ymmärtämään piireissä tapahtuvia prosesseja ja tutkimaan kuinka virrat muuttuvat piiriparametrien muuttuessa. Nykyaikaisen tekniikan kehittäminen mahdollistaa monimutkaisten sähköisten prosessien tutkimuksen ilman kalliita laitteita, kuten spektrianalysaattoreita, taajuusmittareita, oskilloskooppeja, tallentimia ja erittäin tarkkoja voltamomerejä. Se välttää virheitä piirien suunnittelussa ennen kokoamista.