Jednofazni ispravljači: tipični krugovi, valni oblici i modeliranje

Ispravljač se koristi u izmjeničnom krugu kako bi se pretvorio u istosmjerni. Najčešće je ispravljač sastavljen iz poluvodičkih dioda, Istodobno, može se sastaviti iz diskretnih (zasebnih) dioda ili se može nalaziti u jednom kućištu (diodni sklop).

Pogledajmo što je ispravljač, što su oni, a na kraju članka ćemo provesti simulaciju u Multisim okruženju. Modeliranje pomaže učvrstiti teoriju u praksi, bez sastavljanja i stvarnih komponenti, pregledati oblike napona i struje u krugu.

AC ispravljački krugovi

Gornje slike prikazuju izgled diodnih mostova. Ali to nije jedina shema ispravljanja. Za jednofazni napon postoje tri uobičajene sheme ispravljanja:

1,1-polu-razdoblje (1ph1n).

2. 2-polu razdoblje (1ph2p).

3. 2-polu-razdoblje sa srednjom točkom (1ph2p).

Shema ispravljanja na pola vala

Najjednostavniji krug sastoji se od samo jedne diode, koja na izlazu daje konstantni nestabilizirani napon. Diode su povezane sa strujnim krugom faznom žicom ili jednim od terminala namota transformatora, drugi kraj opterećenja, drugi stup opterećenja na neutralnu žicu ili drugi terminal namota transformatora.

Efektivna vrijednost napona u opterećenju je približno polovica amplitude. Vrijednost amplitude napona je amplituda sinusnog vala opskrbne mreže u općenitom slučaju za izmjeničnu struju

Uampl = Učinak * √2.

Za električne mreže u Rusiji radni napon jednofazne mreže iznosi 220 V, a amplituda je približno 311

Jednostavnim riječima - na izlazu dobivamo valove polovine duljine razdoblja (20 ms za 50 Hz) od 0 V do 311 V. U naponu je napon manji od 220 volti, koristi se za napajanje nezahtjevnih potrošača kakvoće napona ili za uključivanje žarulja sa žarnom niti. u pomoćnim prostorijama i pomoćnim prostorijama. To smanjuje potrošnju energije i povećava radni vijek.

Lirska digresija:

Trajnost takvih svjetiljki je kolosalna, došao sam u radionicu prije godinu dana, a svjetiljka je ugrađena još 2013. godine, tako da i dalje svijetli 12 sati dnevno. Ali takvo svjetlo se ne može koristiti u radnim prostorijama, zbog velike pukotine. Oscilogrami ulaznih i izlaznih napona prikazani su u nastavku:

Polvalovni krug prekida samo jedan polutovni val, što vidite na gornjoj dijagrami. Zbog ovog napajanja dobivamo veliki faktor pukotine.

Vrijedi reći da ako malo promijenite temu i prebacite se s mrežnih ispravljača, tada se pola valni krug široko koristi u pulsnom krugu, ispravljačkom naponu impulsni transformator zavojnice sekundarni.

Ovaj sklop se koristi i na izvorima za isključivanje male snage. Upravo je to način na koji se najčešće izrađuje punjač za vaš mobilni telefon.

Polvučni krug

Da bi se smanjio koeficijent pukotine i kapacitet filtra, koristi se druga shema - dvopolovni ciklus. Zove se - diodni most, Naizmenični napon napaja se na mjesto priključenja suprotnih polov dioda, a istoimeni je s konstantnim znakom. Izlazni napon takvog mosta naziva se ispravljeni pulsirajući (ili nije stabiliziran). Upravo je ovo uključivanje dioda najčešće u svim područjima elektronike.

Na dijagramima vidite da i drugi pola vala naizmjeničnog napona "treperi" i ulazi u teret. U prvoj polovici razdoblja struja teče kroz diode VD1-VD4, u drugoj kroz par VD2-VD3.

Izlazni napon pulsira na frekvenciji 100 Hz

Drugi se krug koristi u izvorima napajanja sa srednjom točkom, zapravo su to dva vala u kombinaciji s sekundarnim namotom transformatora sa sredinom. Anode su spojene na krajnje krajeve namota, katode su spojene na jedan terminal opterećenja (pozitivno), drugi terminal opterećenja spojen je na slavinu s sredine namota (srednja točka).

Graf izlaznog napona je sličan i nećemo ga uzeti u obzir. Jedina značajna razlika je u tome što struja istječe istovremeno kroz jednu diodu, a ne kroz par kao u mostu. To smanjuje gubitak energije na diodnom mostu i prekomjerno zagrijavanje poluvodiča.

Smanjenje faktora Ripple

Faktor mrešljenja je vrijednost koja odražava koliki je izlazni napon. Ili obrnuto - koliko je stabilna i jednoliko struja dovedena do opterećenja.

Za smanjenje koeficijenta valjka paralelno s opterećenjem (izlaz diodnog mosta) ugrađuju se različiti filtri. Najlakša opcija je ugradnja kondenzatora. Da bi valjci bili što manji, vremenska konstanta filtra R opterećenja filtra trebala bi biti za red veličine (ili bolje nekoliko) veće od razdoblja valjka (u našem slučaju 10 ms).

Za to ili opterećenje mora imati visoki otpor i malu struju, ili je kapacitet kondenzatora dovoljno velika.

Izračunati omjer za odabir kondenzatora je sljedeći:

Kp je potrebni faktor pukotine.

Kp = Uampl / Uavr

Da bi se poboljšale brojne karakteristike filtra, mogu se koristiti LC sklopovi povezani prema shemi D ili P filtra, u nekim slučajevima i druge konfiguracije. Nedostatak upotrebe LC filtera u amaterskoj radio praksi je potreba za odabirom prigušnice filtra. A pravi za nominalnu vrijednost (induktivnost i struja) često nije pri ruci. Stoga ga morate sami namotati ili se iz trenutne situacije izvući na drugi način - ispuštanjem iz napajanja jedinice sličnog kapaciteta.

Simulacija jednofaznih ispravljača

Popravimo ove podatke u praksi i pređimo na modeliranje električnih krugova. Odlučio sam da za stvaranje modela tako jednostavne sheme paket Multisim je savršen - to je najlakše naučiti od svega što znam i zahtijeva najmanje resursa.

Međutim, njegovi su algoritmi za modeliranje jednostavniji nego u Orcadu ili Simulinku (iako je to matematičko modeliranje, a ne simulacija), pa rezultati modeliranja nekih shema nisu pouzdani. Multisim je pogodan za proučavanje osnova elektronike, načina rada tranzistora, operativnih pojačala.

Ne podcjenjujte mogućnosti ovog programa, pravilnim pristupom može prikazati rad složenih uređaja.

Razmotrit ćemo modele prva dva kruga, treći je krug u osnovi sličan drugom, ali ima manji gubitak zbog isključenja dva ključa i veće složenosti - zbog potrebe korištenja transformatora s slavinom iz sredine sekundarnog namota.

Polvučni krug

Shema po kojoj se simulacija

Izvor napajanja simulira jednofaznu kućansku mrežu sa sljedećim karakteristikama:

• sinusna struja;

• Napon 220 V rms;

• frekvencija - 50 Hz.

Nisam pronašao ampermetar i voltmetar u programu, multimetri igraju svoju ulogu. Kasnije obratite pažnju na obilje njihovih postavki i mogućnost izbora vrste struje.

U datom modelu multimetar XMM1 - mjeri struju u opterećenju, XMM3 - napon na izlazu ispravljača, XMM2 - napon na ulazu, XSC2 - osciloskop. Obratite pažnju na potpis elemenata - to će isključiti pitanja prilikom analize crteža, koji će biti dolje. Usput, Multisim predstavlja modele pravih dioda, izabrao sam najčešće 1n4007.

Valni oblik na ulazu (kanal A) u polju s rezultatima mjerenja prikazan je crvenom bojom. U plavoj boji - izlazni napon (kanal B). Za prvi kanal cijena vertikalne podjele jedne ćelije je 200 V / div, a za drugi kanal je 500. Namjerno sam to učinio kako bih vizualno podijelio valne oblike, inače su se spojili.Žuta okomita linija u lijevoj trećini zaslona je metar, vrijednost napona u točki s maksimalnom amplitudom opisana je ispod crnog zaslona.

Ulazna amplituda je 311.128 V, kako je rečeno na početku članka, a izlazna amplituda 310.281, razlika od gotovo jednog volta nastaje zbog pada na diodi. Na desnoj strani slike nalaze se rezultati mjerenja u multimetru. Nazivi prozora odgovaraju nazivima XMM multimetara u krugu.

Iz dijagrama vidimo da se opterećenju dovodi samo jedan pola vala napona, a njegova prosječna vrijednost je 98 V, što je više od dva manje od ulazne struje 220 V AC u znaku.

U sljedećem dijagramu dodali smo kondenzator za filtriranje i jedan multimetar za mjerenje struje opterećenja, sjetite se njihovih potpisa kako se ne bi zbunili prilikom proučavanja crteža.

Otpornik ispred diode potreban je za mjerenje struje naboja kondenzatora kako biste saznali struju - podijelite broj volti s 1 (otpor). Međutim, u budućnosti ćemo primijetiti da pri velikim strujama znatan pad napona preko otpornika, što u stvarnim uvjetima može biti zbunjujuće tijekom mjerenja - to bi uzrokovalo zagrijavanje otpornika i gubitak učinkovitosti.

Valni oblik prikazuje ulazni napon narančasto, a ulaznu struju crvenom bojom. Usput, primjetan je pomak struje u smjeru napredovanja napona.

Na valnom obliku izlaznog signala vidimo kako to funkcionira kondenzator - napon u opterećenju dok je dioda zatvorena i prolazi pola vala, glatko se smanjuje, prosječna vrijednost raste, a mreška se smanjuje. Nakon pozitivnog pola vala kondenzator se puni i postupak se ponavlja.

Povećavajući otpor opterećenja s faktorom 10, smanjili smo struju, kondenzator se nije imao vremena isprazniti, valovi su postali puno manji, pa smo dokazali teoretske podatke opisane u prethodnom odjeljku o valovima i utjecaju struje i kapaciteta na njih. Da bismo to pokazali, mogli bismo promijeniti kapacitet kondenzatora.

Ulazni signal se također mijenjao - struje punjenja su se smanjivale, a njihov je oblik ostao isti.

Polvučni krug

Pogledajmo kako djeluje shema ispravljanja oba polugodišta. Na ulazu smo postavili diodni most.

Oscilogrami pokazuju da oba pola vala ulaze u opterećenje, ali da su valovi vrlo veliki.

Donja polovica pola vala kod struje (crvene boje) pojavila se na ulaznom valnom obliku.

Smanjite valovanje instaliranjem filtrirajućeg elektrolitičkog kondenzatora na ulaz. U praksi je poželjno paralelno s njom ugraditi keramičku, kako bi se smanjile visokofrekventne komponente sinusoida (harmonike).

Ulazni valni oblik pokazuje da je inverzni polu-val dodan kada je kondenzator bio napunjen (postaje pozitivan nakon mosta).

Izlazni valni oblik pokazuje da je varalica manja nego u prvom krugu s filtrirajućim kondenzatorom, imajte na umu da napon teži prema amplitudi, što je manje valovita, to je bliža njegova prosječna vrijednost amplitudi.

Ako povećamo struju opterećenja za 20 puta, smanjujući njen otpor, vidjet ćemo snažne pukotine na izlazu.

I veće struje naboja na ulazu, pomaci fazne struje vrlo su uočljivi. Proces punjenja kondenzatora ne odvija se linearno, već eksponencijalno, pa vidimo da napon raste i struja opada.

zaključak

Ispravljači se široko koriste u svim područjima elektronike i električne energije općenito. Ispravljački krugovi instalirani su svugdje - od minijaturnih napajanja i radija do krugova napajanja najmoćnijih DC motora u opremi dizalica.

Simulacija savršeno pomaže razumjeti procese koji se događaju u krugovima i proučavati kako se mijenjaju struje kako se mijenjaju parametri kruga. Razvoj suvremenih tehnologija omogućava proučavanje složenih električnih procesa bez skupe opreme kao što su spektralni analizatori, frekvencijski mjerači, osciloskopi, diktafoni i ultra-precizni voltammetri. Izbjegava pogreške pri dizajniranju krugova prije sastavljanja.