Jednofázové usměrňovače: typické obvody, průběhy a modelování

Usměrňovač se používá v AC obvodu k jeho převodu na DC. Nejběžnější je sestavený usměrňovač z polovodičových diod. Současně může být sestaven z diskrétních (samostatných) diod, nebo může být v jednom pouzdru (sestava diod).

Podívejme se, co je to usměrňovač, co to je, a na konci článku provedeme simulaci v prostředí Multisim. Modelování pomáhá konsolidovat teorii v praxi, bez sestavení a reálných komponent, prohlížení forem napětí a proudů v obvodu.

Obvody střídavého usměrňovače

Výše uvedené obrázky ukazují vzhled diodových můstků. Není to však jediný plán narovnání. Pro jednofázové napětí existují tři běžná schémata usměrnění:

1,1 poločasu (1ph1n).

2. 2-poloviční období (1ph2p).

3. 2-polovina periody se středem (1ph2p).

Schéma poloviční vlny

Nejjednodušší obvod je tvořen pouze jednou diodou, která dává na výstupu konstantní nestabilizované zvlnění. Diody jsou připojeny k napájecímu obvodu fázovým drátem nebo jednou ze svorek vinutí transformátoru, druhým koncem k zátěži, druhým zatěžovacím pólem k neutrálnímu drátu nebo druhou svorkou vinutí transformátoru.

Efektivní hodnota napětí v zátěži je přibližně polovina amplitudy. Hodnota amplitudy napětí je amplituda sinusové vlny napájecí sítě v obecném případě pro střídavý proud

Uampl = Uaction * √2.

Pro elektrické sítě v Rusku je provozní napětí jednofázové sítě 220 V a amplituda je přibližně 311

Zjednodušeně řečeno - na výstupu dostáváme vlnky po dobu půl sekundy (20 ms pro 50 Hz) od 0 V do 311 V. Napětí je v průměru menší než 220 voltů, což se používá k napájení spotřebičů, kteří jsou nenároční ke kvalitě napětí nebo k zapnutí žárovek. v technických místnostech a technických místnostech. To snižuje spotřebu energie a zvyšuje životnost.

Lyrická odbočka:

Trvanlivost těchto lamp je obrovská, já jsem přišel do dílny před rokem a lampa byla nainstalována zpět v roce 2013, takže stále svítí 12 hodin každý den. Takové světlo však nelze použít v dílnách kvůli vysokému zvlnění. Oscilogramy vstupního a výstupního napětí jsou uvedeny níže:

Půlvlnný obvod odřízne pouze jednu půlvlnu, což je to, co vidíte na obrázku výše. Díky tomuto napájení dostaneme velký zvlňovací faktor.

Stojí za to říci, že pokud téma trochu změníte a přepnete ze síťových usměrňovačů, pak se v pulzním obvodu široce používá obvod s půlvlnou, usměrňující napětí pulzní cívkový transformátor sekundární.

U spínacích zdrojů s nízkým výkonem se tento obvod také používá. Přesně tak je vaše nabíječka mobilního telefonu s největší pravděpodobností vyrobena.

Půlvlnný obvod

Ke snížení koeficientu zvlnění a kapacity filtru je použito jiné schéma - poloviční cyklus. Říká se tomu - diodový most. Střídavé napětí je přiváděno do bodu připojení protilehlých pólů diod a konstantně ve stejném jménu. Výstupní napětí takového můstku se nazývá usměrněné pulsování (nebo není stabilizováno). Toto začlenění diod je nejčastější ve všech oblastech elektroniky.

Na diagramech vidíte, že druhá polovina vlny střídavého napětí „překlopí“ a vstoupí do zátěže. V první polovině periody proud protéká diodami VD1-VD4, ve druhé párem VD2-VD3.

Výstupní napětí pulzuje při frekvenci 100 Hz

Druhý obvod se používá v napájecích zdrojích se středním bodem, ve skutečnosti se jedná o dvě poloviční vlny kombinované se sekundárním vinutím transformátoru se středovým bodem. Anody jsou připojeny k krajním koncům vinutí, katody jsou připojeny k jedné zátěžové svorce (kladné), druhá zátěžová svorka je připojena k odbočce ze středu vinutí (uprostřed).

Graf výstupního napětí je podobný a nebudeme jej brát v úvahu. Jediný významný rozdíl spočívá v tom, že proud protéká současně jednou diodou a ne dvojicí jako v můstku. To snižuje energetické ztráty na diodovém můstku a nadměrné zahřívání polovodičů.

Redukce zvlnění faktoru

Faktor zvlnění je hodnota, která odráží, jak moc se zvlnění výstupního napětí. Nebo naopak - jak stabilní a rovnoměrně je proud dodáván do zátěže.

Pro snížení součinitele zvlnění paralelně se zátěží (výstup diodového můstku) jsou instalovány různé filtry. Nejjednodušší možností je instalace kondenzátoru. Aby vlnky byly co nejmenší, měla by být časová konstanta R filtru zatížení filtru řádově o velikost (nebo spíše několik) větší než doba zvlnění (v našem případě 10 ms).

K tomu musí mít zátěž vysoký odpor a nízký proud, nebo je kapacita kondenzátoru dostatečně velká.

Vypočítaný poměr pro výběr kondenzátoru je následující:

Kp je požadovaný faktor zvlnění.

Kп = Uampl / Uavr

Pro zlepšení řady charakteristik filtru lze použít obvody LC připojené podle schématu D nebo P-filtru, v některých případech i jiné konfigurace. Nevýhodou použití LC filtrů v amatérské radiové praxi je nutnost výběru sytiče filtru. A ten pravý pro jmenovitou hodnotu (indukčnost a proud) není často po ruce. Proto ji musíte buď sami ovinout, nebo se z aktuální situace dostat jiným způsobem - poté, co vypadnete z napájecí jednotky podobné kapacity.

Simulace jednofázových usměrňovačů

Opravme tyto informace v praxi a pusťte se do modelování elektrických obvodů. Rozhodl jsem se, že pro vytvoření modelu tak jednoduchého schématu je balíček Multisim perfektní - je nejjednodušší se poučit ze všeho, co vím, a vyžaduje nejméně zdrojů.

Jeho modelovací algoritmy jsou však jednodušší než v Orcad nebo Simulink (ačkoli se jedná o matematické modelování, nikoli simulaci), výsledky modelování některých schémat však nejsou spolehlivé. Multisim je vhodný pro studium základů elektroniky, tranzistorových provozních režimů, operačních zesilovačů.

Nepodceňujte možnosti tohoto programu, při správném přístupu může zobrazit práci složitých zařízení.

Budeme uvažovat modely prvních dvou obvodů, třetí obvod je v podstatě podobný druhému, ale má menší ztráty kvůli vyloučení dvou klíčů a větší složitosti - kvůli potřebě použít transformátor s odbočkou ze středu sekundárního vinutí.

Půlvlnný obvod

Schéma, kterým simulace

Zdroj energie simuluje jednofázovou domácí síť s následujícími charakteristikami:

• sinusový proud;

• Napětí 220 V rms;

• frekvence - 50 Hz.

V programu jsem nenašel ampérmetr a voltmetr, jejich roli hrají multimetry. Později věnujte pozornost množství jejich nastavení a schopnosti zvolit typ proudu.

V daném modelu multimetr XMM1 - měří proud v zátěži, XMM3 - napětí na výstupu usměrňovače, XMM2 - napětí na vstupu, XSC2 - osciloskop. Věnujte pozornost podpisům prvků - při analýze výkresů, které budou níže, budou vyloučeny otázky. Mimochodem, Multisim představuje modely reálných diod, vybral jsem nejběžnější 1n4007.

Křivka na vstupu (kanál A) v poli s výsledky měření je zobrazena červeně. V modře - výstupní napětí (kanál B). Pro první kanál je vertikální dělící cena jedné buňky 200 V / div a pro druhý kanál 500. Záměrně jsem to udělal, abych vizuálně oddělil průběhy, jinak by se sloučily.Žlutá svislá čára v levé třetině obrazovky je měřič, hodnota napětí v bodě s maximální amplitudou je popsána pod černou obrazovkou.

Vstupní amplituda je 311,128 V, jak bylo řečeno na začátku článku, a výstupní amplituda je 310,281, rozdíl téměř o jednom voltu je způsoben poklesem diody. Na pravé straně obrázku jsou výsledky multimetrového měření. Názvy oken odpovídají jménům multimetrů XMM v obvodu.

Z grafu vidíme, že do zátěže je skutečně dodávána pouze jedna půlvlna napětí a její průměrná hodnota je 98 V, což je více než dvě menší než vstupní proud 220 V AC ve znaménku.

V následujícím diagramu jsme přidali filtrační kondenzátor a jeden multimetr pro měření zátěžového proudu, pamatujte na jejich podpisy, aby nedošlo k záměně při studiu výkresů.

Rezistor před diodou je potřebný k měření nabíjecího proudu kondenzátoru, aby se zjistil proud - vydělte počet voltů 1 (odpor). V budoucnu si však všimneme, že při vysokých proudech značný pokles napětí přes rezistor, což může být během měření matoucí, v reálných podmínkách - by to způsobilo zahřátí rezistoru a ztrátu účinnosti.

Křivka zobrazuje vstupní napětí oranžově a vstupní proud červeně. Mimochodem, proudový posun je patrný ve směru napěťového posunu.

Na vlnové formě výstupního signálu vidíme, jak to funguje kondenzátor - napětí v zátěži, když je dioda uzavřena a jedna půlvlna prochází, hladce klesá, její průměrná hodnota stoupá a zvlnění klesá. Po kladné půlvlně se kondenzátor dobije a proces se opakuje.

Zvýšením zátěžového odporu faktorem 10 jsme snížili proud, kondenzátor neměl čas na vybití, vlnky se staly mnohem méně, takže jsme dokázali teoretické informace popsané v předchozí části o vlnkách a vlivu proudu a kapacity na ně. Abychom to mohli ukázat, mohli bychom změnit kapacitu kondenzátoru.

Změnil se také vstupní signál - nabíjecí proudy se snížily a jejich tvar zůstal stejný.

Půlvlnný obvod

Podívejme se, jak schéma nápravy obou poločasů vypadá v akci. U vchodu jsme nainstalovali diodový most.

Oscilogramy ukazují, že obě půlvlny vstupují do zátěže, ale vlnky jsou velmi velké.

Spodní polovina půlvlny při proudu (v červené barvě) se objevila na vstupním průběhu.

Omezte zvlnění instalací filtračního elektrolytického kondenzátoru na vstupu. V praxi je žádoucí instalovat keramiku paralelně s ní, aby se snížily vysokofrekvenční složky sinusoidů (harmonické).

Vstupní tvar vlny ukazuje, že inverzní půlvlna byla přidána, když byl kondenzátor nabitý (po můstku se stane kladným).

Výstupní tvar vlny ukazuje, že zvlnění se zmenšilo než v prvním obvodu s filtračním kondenzátorem. Všimněte si, že napětí má sklon k amplitudě, čím menší vlnění, tím je jeho průměrná hodnota blíže k amplitudě.

Zvýšíme-li zátěžový proud o 20krát, snížíme jeho odpor, uvidíme na výstupu silné vlnění.

A větší proudy náboje na vstupu, posun fázového proudu je velmi znatelný. Proces nabíjení kondenzátoru nedochází lineárně, ale exponenciálně, takže vidíme, že napětí stoupá a proud klesá.

Závěr

Usměrňovače jsou široce používány ve všech oblastech elektroniky a elektřiny obecně. Usměrňovací obvody jsou instalovány všude - od miniaturních zdrojů napájení a rádií po výkonové obvody nejvýkonnějších stejnosměrných motorů v jeřábovém vybavení.

Modelování dokonale pomáhá pochopit procesy probíhající v obvodech a studovat, jak se proudy mění se změnou parametrů obvodu. Vývoj moderních technologií umožňuje studovat složité elektrické procesy bez drahého vybavení, jako jsou spektrální analyzátory, měřiče frekvence, osciloskopy, záznamníky a ultra přesné voltametry. Vyhýbá se chybám při navrhování obvodů před montáží.