Еднофазни токоизправители: типични вериги, форми на вълни и моделиране

Токоизправител се използва в променлив ток, за да го преобразува в постоянен ток. Най-често срещаният изправител е сглобен от полупроводникови диоди, В същото време той може да бъде сглобен от дискретни (отделни) диоди или може да бъде в един корпус (диоден монтаж).

Нека да разгледаме какво е изправител, какви са те, а в края на статията ще проведем симулация в Multisim среда. Моделирането помага да се фиксира теорията на практика, без монтаж и реални компоненти, да се видят формите на напрежения и токове във веригата.

Вериги на токоизправител

Изображенията по-горе показват появата на диодни мостове. Но това не е единствената схема за изправяне. За еднофазно напрежение има три общи схеми на ректификация:

1,1-половин период (1ph1n).

2. 2-половин период (1ph2p).

3. 2-полупериод със средна точка (1ph2p).

Схема за ректификация на половин вълна

Най-простата верига се състои само от един диод, който дава постоянно нестабилизирано пулсационно напрежение на изхода. Диодите са свързани към захранващата верига чрез фазов проводник или чрез един от изводите на намотката на трансформатора, вторият край към товара, вторият полюсен товар към неутралния проводник или вторият извод на намотката на трансформатора.

Ефективната стойност на напрежението в товара е приблизително половината от амплитудата. Стойността на амплитудата на напрежението е амплитудата на синусоидата на захранващата мрежа в общия случай за променлив ток

Uampl = Uaction * √2.

За електрическите мрежи в Русия работното напрежение на еднофазната мрежа е 220 V, а амплитудата е приблизително 311

С прости думи - на изхода получаваме пулсации дълги половин период (20 ms за 50 Hz) от 0 V до 311 V. Средно напрежението е по-малко от 220 волта, това се използва за захранване на консуматори, които не изискват качеството на напрежението, или за включване на лампи с нажежаема жичка в помощни помещения и помощни помещения. Това намалява консумацията на енергия и увеличава експлоатационния живот.

Лирично отклонение:

Издръжливостта на такива лампи е колосална, дойдох в сервиза преди година, а лампата беше инсталирана още през 2013 г., така че все още свети по 12 часа всеки ден. Но такава светлина не може да се използва в работни помещения поради силно пулсации. Осцилограмите на входните и изходните напрежения са показани по-долу:

Полувълновата верига прекъсва само една полувълна, което виждате на диаграмата по-горе. Поради това захранване получаваме голям фактор пулсации.

Струва си да се каже, че ако промените темата малко и преминете от мрежови изправители, тогава полувълнова схема се използва широко в импулсна схема, изправяща напрежение импулсен намотка трансформатор вторичен.

При захранващи устройства с ниска мощност тази схема също се използва. Точно така най-вероятно е направено зарядното за мобилни телефони.

Полувълнова верига

За да се намали коефициентът на пулсация и капацитетът на филтъра, се използва друга схема - двуполовин цикъл. Нарича се - диоден мост, Променливото напрежение се подава към точката на свързване на противоположните полюси на диодите и постоянно в знак от същото име. Изходното напрежение на такъв мост се нарича ректифициран пулсиращ (или не стабилизиран). Именно това включване на диоди е най-често във всички области на електрониката.

На диаграмите виждате, че и втората полувълна на променливото напрежение „се преобръща“ и навлиза в товара. През първата половина на периода токът протича през диодите VD1-VD4, през втората през двойка VD2-VD3.

Изходното напрежение пулсира с честота 100 Hz

Втората верига се използва в захранвания със средна точка, всъщност това са две полувълни, комбинирани с вторичната намотка на трансформатор със средна точка. Анодите са свързани към крайните краища на намотката, катодите са свързани към един терминал за натоварване (положителен), вторият терминал за натоварване е свързан към крана от средата на намотката (средна точка).

Графиката на изходното напрежение е подобна и няма да я разглеждаме. Единствената съществена разлика е, че токът тече едновременно през един диод, а не през чифт, както в мост. Това намалява загубата на енергия на диодния мост и излишното нагряване на полупроводници.

Намаляване на коефициента на пулсация

Коефициентът на пулсация е стойност, която отразява колко пулсации на изходното напрежение. Или обратното - колко стабилно и равномерно токът се подава към товара.

За да се намали коефициентът на пулсация успоредно с натоварването (изхода на диодния мост), се инсталират различни филтри. Най-лесният вариант е да инсталирате кондензатор. За да може пулсациите да са възможно най-малки, константата на времето на филтъра R на натоварването на филтъра трябва да бъде с порядък (или по-скоро няколко) по-голям от периода на пулсация (в нашия случай 10 ms).

За това или натоварването трябва да има високо съпротивление и нисък ток, или капацитетът на кондензатора е достатъчно голям.

Изчисленото съотношение за избор на кондензатор е следното:

Kp е необходимия коефициент на пулсация.

Kп = Uampl / Uavr

За подобряване на редица характеристики на филтъра могат да се използват LC вериги, свързани съгласно схемата D или P-филтър, в някои случаи други конфигурации. Недостатъкът на използването на LC филтри в любителската радио практика е необходимостта от избор на дросел на филтъра. И правилната за номиналната стойност (индуктивност и ток) често не е под ръка. Следователно, трябва сами да го навиете или да излезете от настоящата ситуация по друг начин - чрез отпадане от захранващ блок, подобен по капацитет.

Симулация на еднофазни токоизправители

Нека да поправим тази информация на практика и да се преминем към моделиране на електрически вериги. Реших, че за да създам модел на такава проста схема, пакетът Multisim е перфектен - той е най-лесният да се уча от всичко, което знам и изисква най-малко ресурси.

Алгоритмите му за моделиране обаче са по-прости, отколкото в Orcad или Simulink (въпреки че това е математическо моделиране, а не симулация), така че резултатите от моделирането на някои схеми не са надеждни. Multisim е подходящ за изучаване основите на електрониката, режимите на работа на транзисторите, операционните усилватели.

Не подценявайте възможностите на тази програма, с правилния подход тя може да показва работата на сложни устройства.

Ще разгледаме моделите на първите две вериги, третата верига по същество е подобна на втората, но има по-малка загуба поради изключването на два ключа и по-голяма сложност - поради необходимостта от използване на трансформатор с кран от средата на вторичната намотка.

Полувълнова верига

Схемата, по която симулацията

Източникът на енергия симулира еднофазна домакинска мрежа със следните характеристики:

• синусоидален ток;

• 220 V rms напрежение;

• честота - 50 Hz.

Не намерих амперметър и волтметър в програмата; мултиметрите играят своята роля. По-късно обърнете внимание на изобилието от техните настройки и възможността да изберете типа на тока.

В дадения модел мултиметърът XMM1 - измерва тока в товара, XMM3 - напрежението на изхода на токоизправителя, XMM2 - напрежението на входа, XSC2 - осцилоскопа. Обърнете внимание на подписите на елементите - това ще изключи въпроси при анализиране на чертежите, които ще бъдат по-долу. Между другото, Multisim представя модели на истински диоди, избрах най-често срещания 1n4007.

Формата на вълната на входа (канал A) в полето с резултатите от измерванията е показана в червено. В синьо - изходно напрежение (канал B). За първия канал цената на вертикалното деление на една клетка е 200 V / div, а за втория канал е 500. Нарочно направих това, за да разделям вълновите форми визуално, в противен случай те се сляха.Жълтата вертикална линия в лявата третина на екрана е метър, стойността на напрежението в точка с максимална амплитуда е описана под черния екран.

Амплитудата на входа е 311.128 V, както беше казано в началото на статията, а амплитудата на изхода е 310.281, разлика от почти един волт се дължи на спад на диода. От дясната страна на изображението са показани резултати от измерване на мултицет. Имената на прозорците съответстват на имената на мултицеторите XMM във веригата.

От диаграмата виждаме, че в действителност към товара се подава само една полувълна напрежение, а средната му стойност е 98 V, което е повече от две по-малко от входния ток 220 V AC в знак.

В следващата диаграма добавихме филтриращ кондензатор и един мултицет за измерване на тока на натоварване, помнете техните подписи, за да не се объркате при изучаване на чертежите.

Резисторът пред диода е необходим за измерване на тока на заряд на кондензатора, за да разберете тока - разделете броя на волта на 1 (съпротивление). В бъдеще обаче ще забележим, че при силни токове спада значително напрежение през резистора, което може да бъде объркващо по време на измервания, в реални условия - това би довело до нагряване на резистора и загуба на ефективност.

Формата на вълната показва входното напрежение в оранжево, а входния ток в червено. Между другото се забелязва изместване на тока в посока напредване на напрежението.

На формата на вълната на изходния сигнал виждаме как работи кондензатор - напрежението в натоварването, докато диодът е затворен и една полувълна преминава, плавно намалява, средната му стойност нараства и пулсацията намалява. След положителна полувълна кондензаторът се презарежда и процесът се повтаря.

С увеличаването на съпротивлението на натоварване с коефициент 10 намалихме тока, кондензаторът нямаше време да се разтовари, пулсациите станаха много по-малко, така че доказахме теоретичната информация, описана в предишния раздел за пулсациите и влиянието на тока и капацитета върху тях. За да покажем това, бихме могли да променим капацитета на кондензатора.

Входният сигнал също се промени - зарядните токове намаляха, а формата им остана същата.

Полувълнова верига

Нека да разгледаме как изглежда действието на схемата за коригиране на двата полупериода. Инсталирахме диоден мост на входа.

Осцилограмите показват, че и двете полувълни навлизат в натоварването, но пулсациите са много големи.

Долната половина на полувълната на тока (в червено) се появи на входната форма на вълната.

Намалете пулсацията, като инсталирате филтриращ електролитен кондензатор на входа. На практика е желателно да се инсталира керамичен паралелно с него, за да се намалят високочестотните компоненти на синусоида (хармоници).

Формата на входната вълна показва, че обратната полувълна е добавена при зареждане на кондензатора (става положителен след моста).

Формата на изходната вълна показва, че пулсацията е по-малка, отколкото в първата верига с филтриращ кондензатор, имайте предвид, че напрежението клони към амплитудата, колкото по-малко е пулсацията, толкова по-близо е средната му стойност до амплитудата.

Ако увеличим тока на натоварване с 20 пъти, намалявайки неговото съпротивление, ще видим силни пулсации на изхода.

И при по-големи токове на заряди на входа, фазовото изместване на тока е много забележимо. Процесът на зареждане на кондензатора не протича линейно, а експоненциално, така че виждаме, че напрежението се повишава и токът спада.

заключение

Токоизправителите се използват широко във всички области на електрониката и електричеството като цяло. Токоизправителните вериги са инсталирани навсякъде - от миниатюрни захранващи устройства и радиостанции до силови вериги на най-мощните двигатели с постоянен ток в оборудване за кранове.

Симулацията перфектно помага да се разберат процесите, протичащи в веригите, и да се проучи как се променят токовете, както се променят параметрите на веригата. Развитието на съвременните технологии позволява изучаването на сложни електрически процеси без скъпо оборудване като спектрални анализатори, честотни измервателни уреди, осцилоскопи, рекордери и ултраточни волтаметри. Той избягва грешки при проектирането на вериги преди монтажа.