Enfas likriktare: typiska kretsar, vågformer och modellering

En likriktare används i en växelströmkrets för att konvertera den till DC. Det vanligaste är en likriktare monterad från halvledardioder. Samtidigt kan den monteras från diskreta (separata) dioder, eller den kan vara i ett hölje (diodaggregat).

Låt oss titta på vad en likriktare är, vad de är, och i slutet av artikeln kommer vi att genomföra simulering i en Multisim-miljö. Modellering hjälper till att konsolidera teorin i praktiken, utan montering och verkliga komponenter, se formerna för spänningar och strömmar i kretsen.

AC likriktarkretsar

Bilderna ovan visar utseendet på diodbroar. Men detta är inte det enda rättskemaet. För enfasspänning finns det tre vanliga korrigeringsscheman:

1,1-halvperiod (1ph1n).

2. 2-halvperiod (1ph2p).

3. 2-halvperiod med en mittpunkt (1ph2p).

Halva vågskorrigering

Den enklaste kretsen består endast av en diod, vilket ger en konstant instabil kretsspänning vid utgången. Dioder är anslutna till strömkretsen med en fastråd eller av en av terminalerna på transformatorns lindning, den andra änden till lasten, den andra lastpolen till den neutrala tråden eller den andra terminalen på transformatorns lindning.

Det effektiva värdet på spänningen i lasten är ungefär hälften av amplituden. Spänningens amplitudvärde är amplituden hos sinusvågen i matningsnätet i allmänhet för växelström

Uampl = Uaction * √2.

För elektriska nät i Ryssland är driftspänningen för ett enfasnät 220 V och amplituden är cirka 311

Med enkla ord - vid utgången får vi krusningar som är en halvperiod lång (20 ms för 50 Hz) från 0 V till 311 V. I genomsnitt är spänningen mindre än 220 volt, detta används för att driva konsumenter som inte kräver spänningens kvalitet eller för att slå på glödlampor i tvättstugor och tvättstugor. Detta minskar energiförbrukningen och ökar livslängden.

Lyrisk digression:

Hållbarheten för sådana lampor är kolossal, jag kom till verkstaden för ett år sedan, och lampan installerades redan 2013, så den lyser fortfarande i 12 timmar varje dag. Men sådant ljus kan inte användas i arbetsrum på grund av hög krusning. Oscillogram av in- och utgångsspänningar visas nedan:

Halvvågskretsen avbryter bara en halvvåg, vilket är vad du ser i diagrammet ovan. På grund av denna strömförsörjning får vi en stor krusningsfaktor.

Det är värt att säga att om du ändrar ämnet lite och byter från nätverkslikriktare, så används en halvvågskrets i stor utsträckning i pulserade kretsar, vilket korrigerar spänningen pulsspoletransformator sekundär.

På strömförsörjning med låg strömbrytare används även denna krets. Det är exakt hur din mobiltelefonladdare troligen är tillverkad.

Halvvågskrets

För att minska krusningskoefficienten och filterkapaciteten används ett annat schema - två-halvcykel. Det kallas - diodbro. Växelspänning matas till anslutningspunkten för de motsatta polerna i dioderna, och konstant med tecken från samma namn. Utgångsspänningen för en sådan bro kallas likriktad pulserande (eller inte stabiliserad). Det är denna inkludering av dioder som är vanligast inom alla områden inom elektronik.

På diagrammen ser du att både den andra halvvågen av växelspänningen "vänder" och kommer in i lasten. Under första halvåret strömmar strömmen genom dioderna VD1-VD4, i den andra genom ett par VD2-VD3.

Utgångsspänningen pulserar vid en frekvens av 100 Hz

Den andra kretsen används i strömförsörjning med en mittpunkt, i själva verket är det två halvvågor i kombination med en sekundärlindning av en transformator med en mittpunkt. Anoder är anslutna till de extrema ändarna av lindningen, katoder är anslutna till en lastterminal (positiv), den andra lastterminalen är ansluten till kranen från mitten av lindningen (mittpunkten).

Utgångsspänningsgrafen är liknande och vi kommer inte att överväga den. Den enda signifikanta skillnaden är att strömmen flyter samtidigt genom en diod och inte genom ett par som i en bro. Detta minskar energiförlusten på diodbron och överskottsuppvärmningen av halvledare.

Rippelfaktorreduktion

Rippelfaktorn är ett värde som återspeglar hur mycket utspänningen ripplar. Eller vice versa - hur stabil och enhetlig strömmen tillförs lasten.

För att minska krusningskoefficienten parallellt med belastningen (utgången från diodbron) installeras olika filter. Det enklaste alternativet är att installera en kondensator. För att krusningarna ska vara så små som möjligt bör filtertidskonstanten R för filterbelastningen vara en storleksordning (eller snarare flera) större än rippelperioden (i vårt fall 10 ms).

För detta måste antingen belastningen ha hög motstånd och låg ström, eller kondensatorns kapacitet är tillräckligt stor.

Det beräknade förhållandet för val av kondensator är följande:

Kp är den rippelfaktor som krävs.

Kп = Uampl / Uavr

För att förbättra ett antal filteregenskaper kan LC-kretsar anslutna enligt D- eller P-filterschemat användas, i vissa fall andra konfigurationer. Nackdelen med att använda LC-filter i amatörradiopraxis är behovet av att välja en filter-choke. Och den rätta för det nominella värdet (induktans och ström) är ofta inte till hands. Därför måste du antingen linda det själv eller komma ur den aktuella situationen på ett annat sätt - genom att släppa bort från en nätaggregat med liknande kapacitet.

Simulering av enfas likriktare

Låt oss fixa denna information i praktiken och gå till modellering av elektriska kretsar. Jag bestämde mig för att skapa en modell av ett så enkelt schema är Multisim-paketet perfekt - det är det enklaste att lära av allt jag vet och kräver minst resurser.

Men hans modelleringsalgoritmer är enklare än i Orcad eller Simulink (även om detta är matematisk modellering, inte simulering), så resultaten av modellering av vissa scheman är inte tillförlitliga. Multisim är lämplig för att studera grunderna i elektronik, transistordriftslägen, driftsförstärkare.

Underskatta inte funktionerna i detta program, med rätt tillvägagångssätt kan det visa arbetet med komplexa enheter.

Vi kommer att överväga modellerna för de första två kretsarna, den tredje kretsen är väsentligen lik den andra, men har mindre förlust på grund av uteslutningen av två nycklar och större komplexitet - på grund av behovet av att använda en transformator med en kran från mitten av sekundärlindningen.

Halvvågskrets

Det schema genom vilket simuleringen

Strömkällan simulerar ett enfas hushållsnätverk med följande egenskaper:

• sinusformad ström;

• 220 V rms spänning;

• frekvens - 50 Hz.

Jag hittade ingen ammeter och voltmeter i programmet, multimeter spelar sin roll. Senare, uppmärksamma överflödet av deras inställningar och möjligheten att välja typ av ström.

I den givna modellen mäter multimetern XMM1 - strömmen i lasten, XMM3 - spänningen vid likriktarens utgång, XMM2 - spänningen vid ingången, XSC2 - oscilloskopet. Var uppmärksam på elementernas signaturer - detta utesluter frågor när du analyserar ritningarna, som kommer att ligga nedan. Förresten, Multisim presenterar modeller av riktiga dioder, jag valde den vanligaste 1n4007.

Vågformen vid ingången (kanal A) i fältet med mätresultaten visas med rött. I blå utgångsspänning (kanal B). För den första kanalen är det vertikala delningspriset för en cell 200 V / div, och för den andra kanalen är det 500. Jag gjorde det medvetet för att separera vågformerna visuellt annars smälte de samman.Den gula vertikala linjen i vänster tredjedel av skärmen är en meter, spänningsvärdet vid en punkt med maximal amplitud beskrivs under den svarta skärmen.

Ingångsamplituden är 311,128 V, som sagt i början av artikeln, och utgångsamplituden är 310,281, en skillnad på nästan en volt beror på ett fall på dioden. På höger sida av bilden finns multimetermätningsresultat. Namnen på fönstren motsvarar namnen på XMM-multimetrarna i kretsen.

Från diagrammet ser vi att egentligen bara en halvvågs spänning tillförs lasten, och dess medelvärde är 98 V, vilket är mer än två mindre än ingångsströmmen 220 V AC i tecken.

I följande diagram har vi lagt till en filterkondensator och en multimeter för att mäta lastströmmen, kom ihåg deras signaturer för att inte bli förvirrad när du studerar ritningarna.

Motståndet framför dioden behövs för att mäta laddningsströmmen för kondensatorn för att ta reda på strömmen - dela antalet volt med 1 (motstånd). I framtiden kommer vi dock att märka att vid höga strömmar faller en betydande spänning över motståndet, vilket kan vara förvirrande under mätningar, under verkliga förhållanden - detta skulle göra att motståndet värms upp och förlust av effektivitet.

Vågformen visar ingångsspänningen i orange och ingångsströmmen i rött. Förresten, en strömförskjutning märks i spänningsriktningen.

På vågformen för utsignalen ser vi hur den fungerar kondensator - spänningen i lasten medan dioden är stängd och en halvvåg passerar, minskar smidigt, dess medelvärde stiger och krusningen minskar. Efter en positiv halvvåg laddas kondensatorn igen och processen upprepas.

Genom att öka belastningsmotståndet med en faktor 10 minskade vi strömmen, kondensatorn hade inte tid att urladdas, krusningarna blev mycket mindre, så vi bevisade den teoretiska informationen som beskrivs i föregående avsnitt om krusningar och effekten av ström och kapacitet på dem. För att visa detta kan vi ändra kondensatorns kapacitet.

Insignalen förändrades också - laddströmmarna minskade och deras form förblev densamma.

Halvvågskrets

Låt oss titta på hur rättelsessystemet för båda halvperioderna ser ut i aktion. Vi installerade en diodbro vid ingången.

Oscillogrammen visar att båda halvvågorna kommer in i belastningen, men krusningarna är mycket stora.

Den nedre halvan av halvvågen vid strömmen (i rött) dök upp på ingångsvågformen.

Minska krusningen genom att installera en filtrerande elektrolytisk kondensator vid ingången. I praktiken är det önskvärt att installera en keramik parallellt med den för att minska sinusoidens högfrekvenskomponenter (övertoner).

Ingångsvågformen visar att den inversa halvvågen lades till när kondensatorn laddades (den blir positiv efter bron).

Utgångsvågformen visar att krusningen blev mindre än i den första kretsen med en filterkondensator. Observera att spänningen tenderar till amplituden, desto mindre krusningen, desto närmare är dess medelvärde till amplituden.

Om vi ​​ökar lastströmmen med 20 gånger och minskar dess motstånd kommer vi att se starka krusningar vid utgången.

Och större laddningsströmmar vid ingången är fasströmförskjutningen mycket märkbar. Processen att ladda kondensatorn sker inte linjärt utan exponentiellt, så vi ser att spänningen stiger och strömmen sjunker.

slutsats

Likriktare används ofta inom alla områden inom elektronik och el i allmänhet. Likriktarkretsar installeras överallt - från miniatyrströmförsörjningar och radioapparater till kraftkretsar för de kraftfullaste likströmsmotorerna i kranutrustning.

Simulering hjälper perfekt att förstå processerna som sker i kretsarna och att studera hur strömmarna ändras när kretsparametrarna ändras. Utvecklingen av modern teknik gör det möjligt att studera komplexa elektriska processer utan dyr utrustning som spektralanalysatorer, frekvensmätare, oscilloskop, inspelare och ultramässiga voltametrar. Det undviker fel vid utformning av kretsar innan montering.