Redresseurs monophasés: circuits typiques, formes d'onde et modélisation

Un redresseur est utilisé dans un circuit alternatif pour le convertir en courant continu. Le plus courant est un redresseur assemblé des diodes semi-conductrices. En même temps, il peut être assemblé à partir de diodes discrètes (séparées), ou il peut être dans un boîtier (ensemble de diodes).

Voyons ce qu'est un redresseur, ce qu'il est, et à la fin de l'article, nous effectuerons une simulation dans un environnement Multisim. La modélisation permet de consolider la théorie dans la pratique, sans assemblage et sans composants réels, voir les formes de tensions et de courants dans le circuit.

Circuits redresseurs AC

Les images ci-dessus montrent l'apparence des ponts de diodes. Mais ce n'est pas le seul schéma de redressement. Pour la tension monophasée, il existe trois schémas de redressement courants:

1,1 demi-période (1ph1n).

2. 2 demi-périodes (1ph2p).

3. 2 demi-périodes avec un point médian (1ph2p).

Schéma de redressement demi-onde

Le circuit le plus simple se compose d'une seule diode, ce qui donne une tension d'ondulation non stabilisée constante à la sortie. Les diodes sont connectées au circuit de puissance par un fil de phase ou par l'une des bornes de l'enroulement du transformateur, la deuxième extrémité de la charge, le deuxième pôle de charge du fil neutre ou la deuxième borne de l'enroulement du transformateur.

La valeur efficace de la tension dans la charge est d'environ la moitié de l'amplitude. La valeur d'amplitude de la tension est l'amplitude de l'onde sinusoïdale du réseau d'alimentation dans le cas général du courant alternatif

Uampl = Uaction * √2.

Pour les réseaux électriques en Russie, la tension de fonctionnement d'un réseau monophasé est de 220 V et l'amplitude est d'environ 311

En termes simples - à la sortie, nous obtenons des ondulations d'une demi-période (20 ms pour 50 Hz) de 0 V à 311 V. En moyenne, la tension est inférieure à 220 volts, ce qui est utilisé pour alimenter des consommateurs peu exigeants en termes de qualité de tension ou pour allumer des lampes à incandescence dans les pièces de service et les pièces de service. Cela réduit la consommation d'énergie et augmente la durée de vie.

Digression lyrique:

La durabilité de ces lampes est colossale, je suis venu à l'atelier il y a un an, et la lampe a été installée en 2013, donc elle brille encore 12 heures par jour. Mais une telle lumière ne peut pas être utilisée dans les ateliers, en raison de l'ondulation élevée. Les oscillogrammes des tensions d'entrée et de sortie sont indiqués ci-dessous:

Le circuit demi-onde ne coupe qu'une seule demi-onde, c'est ce que vous voyez dans le schéma ci-dessus. En raison d'une telle nutrition, nous obtenons un grand coefficient d'ondulation.

Il vaut la peine de dire que si vous changez un peu de sujet et que vous passez des redresseurs de réseau, un circuit demi-onde est largement utilisé dans les circuits pulsés, rectifiant la tension transformateur de bobine d'impulsion secondaire.

Sur les alimentations à découpage de faible puissance, ce circuit est également utilisé. C'est exactement ainsi que votre chargeur de téléphone portable est le plus susceptible d'être fabriqué.

Circuit demi-onde

Pour réduire le coefficient d'ondulation et la capacité du filtre, un autre schéma est utilisé - deux demi-cycles. Cela s'appelle - pont de diode. Une tension alternative est fournie au point de connexion des pôles opposés des diodes, et de signe constant du même nom. La tension de sortie d'un tel pont est appelée pulsation redressée (ou non stabilisée). C'est cette inclusion de diodes qui est la plus courante dans tous les domaines de l'électronique.

Sur les diagrammes, vous voyez que la deuxième demi-onde de la tension alternative «bascule» et entre dans la charge. Dans la première moitié de la période, le courant passe à travers les diodes VD1-VD4, dans la seconde à travers une paire de VD2-VD3.

La tension de sortie palpite à une fréquence de 100 Hz

Le deuxième circuit est utilisé dans les alimentations avec un point médian, en fait ce sont deux demi-ondes combinées avec l'enroulement secondaire d'un transformateur avec un point médian. Les anodes sont connectées aux extrémités extrêmes de l'enroulement, les cathodes sont connectées à une borne de charge (positive), la deuxième borne de charge est connectée au robinet à partir du milieu de l'enroulement (point médian).

Le graphique de la tension de sortie est similaire et nous ne le considérerons pas. La seule différence significative est que le courant circule simultanément à travers une diode, et non à travers une paire comme dans un pont. Cela réduit la perte d'énergie sur le pont de diodes et l'échauffement excessif des semi-conducteurs.

Réduction du facteur d'ondulation

Le facteur d'ondulation est une valeur qui reflète l'ondulation de la tension de sortie. Ou vice versa - la stabilité et l'uniformité du courant fourni à la charge.

Pour réduire le coefficient d'ondulation en parallèle avec la charge (la sortie du pont de diodes), différents filtres sont installés. L'option la plus simple consiste à installer un condensateur. Pour que les ondulations soient aussi petites que possible, la constante de temps de filtre R de la charge de filtre doit être d'un ordre de grandeur (ou plutôt plusieurs) supérieure à la période d'ondulation (dans notre cas, 10 ms).

Pour cela, soit la charge doit avoir une résistance élevée et un faible courant, soit la capacité du condensateur est suffisamment grande.

Le rapport calculé pour sélectionner un condensateur est le suivant:

Kp est le facteur d'ondulation requis.

Kп = Uampl / Uavr

Pour améliorer un certain nombre de caractéristiques de filtre, des circuits LC connectés selon le schéma de filtre D ou P peuvent être utilisés, dans certains cas, d'autres configurations. L'inconvénient de l'utilisation de filtres LC dans la pratique de la radio amateur est la nécessité de sélectionner une inductance de filtre. Et la bonne pour la valeur nominale (inductance et courant) n'est souvent pas à portée de main. Par conséquent, vous devez soit l'enrouler vous-même, soit sortir de la situation actuelle d'une autre manière - en abandonnant un bloc d'alimentation de capacité similaire.

Simulation de redresseurs monophasés

Corrigeons ces informations dans la pratique et passons à la modélisation des circuits électriques. J'ai décidé que pour créer un modèle d'un schéma aussi simple, le package Multisim est parfait - il est le plus facile à apprendre de tout ce que je sais et nécessite le moins de ressources.

Cependant, ses algorithmes de modélisation sont plus simples que dans Orcad ou Simulink (bien qu'il s'agisse de modélisation mathématique, pas de simulation), par conséquent, les résultats de la modélisation de certains schémas ne sont pas fiables. Multisim convient pour étudier les bases de l'électronique, les modes de fonctionnement des transistors, les amplificateurs opérationnels.

Ne sous-estimez pas les capacités de ce programme, avec la bonne approche, il peut afficher le travail des appareils complexes.

Nous considérerons les modèles des deux premiers circuits, le troisième circuit est essentiellement similaire au second, mais a moins de pertes en raison de l'exclusion de deux clés et une plus grande complexité - en raison de la nécessité d'utiliser un transformateur avec un robinet du milieu de l'enroulement secondaire.

Circuit demi-onde

Le schéma par lequel la simulation

La source d'alimentation simule un réseau domestique monophasé avec les caractéristiques suivantes:

• courant sinusoïdal;

• Tension efficace de 220 V;

• fréquence - 50 Hz.

Je n'ai pas trouvé d'ampèremètre et de voltmètre dans le programme, les multimètres jouent leur rôle. Plus tard, faites attention à l'abondance de leurs paramètres et à la possibilité de choisir le type de courant.

Dans le modèle donné, le multimètre XMM1 - mesure le courant dans la charge, XMM3 - la tension à la sortie du redresseur, XMM2 - la tension à l'entrée, XSC2 - l'oscilloscope. Faites attention aux signatures des éléments - cela exclura les questions lors de l'analyse des dessins, qui seront ci-dessous. Soit dit en passant, Multisim présente des modèles de diodes réelles, j'ai choisi le 1n4007 le plus courant.

La forme d'onde à l'entrée (canal A) dans le champ avec les résultats de mesure est indiquée en rouge. En bleu - tension de sortie (canal B). Pour le premier canal, le prix de la division verticale d'une cellule est de 200 V / div, et pour le deuxième canal, il est de 500. J'ai délibérément fait cela pour séparer visuellement les formes d'onde sinon elles ont fusionné.La ligne verticale jaune dans le tiers gauche de l'écran est un mètre, la valeur de la tension à un point avec une amplitude maximale est décrite sous l'écran noir.

L'amplitude d'entrée est de 311,128 V, comme cela a été dit au début de l'article, et l'amplitude de sortie est de 310,281, une différence de près d'un volt est due à une baisse de la diode. Sur le côté droit de l'image, les résultats de mesure du multimètre. Les noms des fenêtres correspondent aux noms des multimètres XMM du circuit.

Sur le diagramme, nous voyons qu'une seule demi-onde de tension est fournie à la charge, et sa valeur moyenne est de 98 V, ce qui est plus de deux de moins que le courant d'entrée 220 V CA en signe.

Dans le schéma suivant, nous avons ajouté un condensateur de filtrage et un multimètre pour mesurer le courant de charge, rappelez-vous leurs signatures afin de ne pas vous embrouiller lors de l'étude des dessins.

La résistance devant la diode est nécessaire pour mesurer le courant de charge du condensateur pour connaître le courant - divisez le nombre de volts par 1 (résistance). Cependant, à l'avenir, nous remarquerons qu'à des courants élevés, une tension importante chute à travers la résistance, ce qui peut être déroutant pendant les mesures, dans des conditions réelles - cela provoquerait un échauffement de la résistance et une perte d'efficacité.

La forme d'onde montre la tension d'entrée en orange et le courant d'entrée en rouge. Soit dit en passant, un décalage de courant est perceptible dans le sens de l'avance de tension.

Sur la forme d'onde du signal de sortie, nous voyons comment cela fonctionne condensateur - la tension dans la charge pendant que la diode est fermée et qu'une demi-onde passe, diminue en douceur, sa valeur moyenne augmente et l'ondulation diminue. Après, à la demi-onde positive, le condensateur se recharge et le processus se répète.

En augmentant la résistance à la charge d'un facteur 10, nous avons réduit le courant, le condensateur n'a pas eu le temps de se décharger, les ondulations sont devenues beaucoup moins importantes, nous avons donc prouvé les informations théoriques décrites dans la section précédente sur les ondulations et l'effet du courant et de la capacité sur elles. Afin de montrer cela, nous pourrions changer la capacité du condensateur.

Le signal d'entrée a également changé - les courants de charge ont diminué et leur forme est restée la même.

Circuit demi-onde

Voyons à quoi ressemble le schéma de rectification des deux demi-périodes. Nous avons installé un pont de diodes à l'entrée.

Les oscillogrammes montrent que les deux demi-ondes pénètrent dans la charge, mais les ondulations sont très grandes.

La moitié inférieure de la demi-onde au courant (en rouge) est apparue sur la forme d'onde d'entrée.

Réduisez l'ondulation en installant un condensateur électrolytique filtrant à l'entrée. En pratique, il est souhaitable d'installer une céramique en parallèle avec celle-ci, afin de réduire les composantes haute fréquence de la sinusoïde (harmoniques).

La forme d'onde d'entrée montre que la demi-onde inverse a été ajoutée lorsque le condensateur a été chargé (elle devient positive après le pont).

La forme d'onde de sortie montre que l'ondulation est inférieure à celle du premier circuit avec un condensateur de filtrage, notez que la tension tend vers l'amplitude, moins l'ondulation est grande, plus sa valeur moyenne est proche de l'amplitude.

Si nous augmentons le courant de charge de 20 fois, réduisant sa résistance, nous verrons de fortes ondulations à la sortie.

Et des courants de charges plus importants à l'entrée, le déphasage de courant est très perceptible. Le processus de charge du condensateur ne se produit pas de manière linéaire, mais exponentielle, nous voyons donc que la tension augmente et que le courant baisse.

Conclusion

Les redresseurs sont largement utilisés dans tous les domaines de l'électronique et de l'électricité en général. Les circuits redresseurs sont installés partout - des alimentations miniatures et radios aux circuits d'alimentation des moteurs à courant continu les plus puissants des équipements de grue.

La simulation aide parfaitement à comprendre les processus se produisant dans les circuits et à étudier comment les courants changent à mesure que les paramètres des circuits changent. Le développement de technologies modernes permet l'étude de processus électriques complexes sans équipements coûteux tels que des analyseurs spectraux, des fréquencemètres, des oscilloscopes, des enregistreurs et des voltamètres ultra-précis. Il évite les erreurs lors de la conception des circuits avant assemblage.