Prostowniki jednofazowe: typowe obwody, przebiegi i modelowanie

W obwodzie prądu przemiennego stosuje się prostownik do konwersji na prąd stały. Najczęściej jest montowany prostownik z diod półprzewodnikowych. Jednocześnie może być złożony z dyskretnych (oddzielnych) diod lub może znajdować się w jednej obudowie (zespół diod).

Spójrzmy, czym jest prostownik, czym on jest, a na końcu artykułu przeprowadzimy symulację w środowisku Multisim. Modelowanie pomaga utrwalić teorię w praktyce, bez montażu i rzeczywistych komponentów, przeglądać formy napięć i prądów w obwodzie.

Obwody prostownika prądu przemiennego

Powyższe zdjęcia pokazują wygląd mostków diodowych. Ale to nie jedyny schemat prostowania. W przypadku napięcia jednofazowego istnieją trzy popularne schematy rektyfikacji:

1,1-półokres (1ph1n).

2. 2-półokresowe (1ph2p).

3. 2-półokresowe z punktem środkowym (1ph2p).

Schemat rektyfikacji półfalowej

Najprostszy obwód składa się tylko z jednej diody, która daje stałe niestabilizowane napięcie tętnienia na wyjściu. Diody są podłączone do obwodu zasilania za pomocą przewodu fazowego lub jednego z zacisków uzwojenia transformatora, drugiego końca obciążenia, drugiego bieguna obciążenia do przewodu neutralnego lub drugiego zacisku uzwojenia transformatora.

Efektywna wartość napięcia w obciążeniu wynosi około połowy amplitudy. Wartość amplitudy napięcia jest amplitudą fali sinusoidalnej sieci zasilającej w ogólnym przypadku prądu przemiennego

Uampl = Uaction * √2.

W przypadku sieci elektrycznych w Rosji napięcie robocze sieci jednofazowej wynosi 220 V, a amplituda wynosi około 311

Krótko mówiąc - na wyjściu powstają tętnienia o długości półokresowej (20 ms dla 50 Hz) od 0 V do 311 V. Przeciętnie napięcie jest mniejsze niż 220 woltów, służy to do zasilania odbiorców niewymagających jakości napięcia lub do włączania żarówek w pomieszczeniach gospodarczych i gospodarczych. Zmniejsza to zużycie energii i wydłuża żywotność.

Dygresja liryczna:

Trwałość takich lamp jest kolosalna, przyszedłem do warsztatu rok temu, a lampa została zainstalowana w 2013 roku, więc nadal świeci przez 12 godzin każdego dnia. Ale takie światło nie może być stosowane w pracowniach z powodu dużej tętnienia. Oscylogramy napięć wejściowych i wyjściowych pokazano poniżej:

Obwód półfalowy odcina tylko jedną półfalę, co widać na powyższym schemacie. Z powodu tego zasilacza uzyskujemy duży współczynnik tętnienia.

Warto powiedzieć, że jeśli nieco zmienisz temat i zmienisz prostowniki sieciowe, wówczas obwód półfalowy jest szeroko stosowany w obwodach pulsacyjnych, prostując napięcie transformator cewki impulsowej wtórny.

W zasilaczach impulsowych małej mocy obwód ten jest również używany. Właśnie w ten sposób najprawdopodobniej wykonana jest ładowarka do telefonu komórkowego.

Obwód półfalowy

Aby zmniejszyć współczynnik tętnienia i pojemność filtra, stosuje się inny schemat - cykl dwóch połówek. Nazywa się - mostek diodowy. Napięcie przemienne jest dostarczane do punktu połączenia przeciwnych biegunów diod i ma stały znak o tej samej nazwie. Napięcie wyjściowe takiego mostka nazywa się rektyfikowanym pulsującym (lub niestabilizowanym). To włączenie diod jest najbardziej powszechne we wszystkich obszarach elektroniki.

Na schematach widać, że zarówno druga półfala napięcia przemiennego „odwraca się” i wchodzi w obciążenie. W pierwszej połowie okresu prąd przepływa przez diody VD1-VD4, w drugiej przez parę VD2-VD3.

Napięcie wyjściowe pulsuje z częstotliwością 100 Hz

Drugi obwód jest stosowany w zasilaczach z punktem środkowym, w rzeczywistości są to dwie półfale połączone z wtórnym uzwojeniem transformatora z punktem środkowym. Anody są podłączone do skrajnych końców uzwojenia, katody są podłączone do jednego zacisku obciążenia (dodatni), drugi zacisk obciążenia jest podłączony do kurka od środka uzwojenia (punkt środkowy).

Wykres napięcia wyjściowego jest podobny i nie będziemy go rozważać. Jedyną znaczącą różnicą jest to, że prąd przepływa jednocześnie przez jedną diodę, a nie przez parę jak w mostku. Zmniejsza to straty energii na mostku diodowym i nadmierne nagrzewanie półprzewodników.

Redukcja współczynnika tętnienia

Współczynnik tętnienia jest wartością, która odzwierciedla, jak bardzo tętni napięcie wyjściowe. Lub odwrotnie - jak stabilny i równomiernie prąd jest dostarczany do obciążenia.

Aby zmniejszyć współczynnik tętnienia równolegle do obciążenia (moc wyjściowa mostka diodowego), instalowane są różne filtry. Najłatwiejszą opcją jest zainstalowanie kondensatora. Aby tętnienia były jak najmniejsze, stała czasowa filtra R obciążenia filtra powinna być o rząd wielkości (lub raczej kilka) większa niż okres tętnienia (w naszym przypadku 10 ms).

W tym celu albo obciążenie musi mieć wysoką rezystancję i niski prąd, albo pojemność kondensatora jest wystarczająco duża.

Obliczony współczynnik wyboru kondensatora jest następujący:

Kp jest wymaganym współczynnikiem tętnienia.

Kп = Uampl / Uavr

Aby poprawić szereg charakterystyk filtrów, można zastosować obwody LC połączone zgodnie ze schematem filtra D lub P, w niektórych przypadkach inne konfiguracje. Wadą stosowania filtrów LC w amatorskiej praktyce radiowej jest konieczność wyboru dławika filtra. A właściwy dla wartości nominalnej (indukcyjności i prądu) często nie jest pod ręką. Dlatego musisz albo sam go nakręcić, albo wyjść z obecnej sytuacji w inny sposób - porzucając zasilacz o podobnej pojemności.

Symulacja prostowników jednofazowych

Naprawmy te informacje w praktyce i przejdźmy do modelowania obwodów elektrycznych. Zdecydowałem, że aby stworzyć model o tak prostym schemacie, pakiet Multisim jest idealny - najłatwiej jest uczyć się ze wszystkiego, co znam i wymaga najmniejszych zasobów.

Jednak jego algorytmy modelowania są prostsze niż w Orcad lub Simulink (chociaż jest to modelowanie matematyczne, a nie symulacja), dlatego wyniki modelowania niektórych schematów nie są wiarygodne. Multisim nadaje się do nauki podstaw elektroniki, trybów pracy tranzystorów, wzmacniaczy operacyjnych.

Nie lekceważ możliwości tego programu, przy odpowiednim podejściu może wyświetlać pracę złożonych urządzeń.

Rozważymy modele pierwszych dwóch obwodów, trzeci obwód jest zasadniczo podobny do drugiego, ale ma mniej strat ze względu na wykluczenie dwóch kluczy i większą złożoność - z powodu potrzeby zastosowania transformatora z odczepem ze środka uzwojenia wtórnego.

Obwód półfalowy

Schemat symulacji

Źródło zasilania symuluje jednofazową sieć domową o następujących cechach:

• prąd sinusoidalny;

• Napięcie o wartości 220 V rms;

• częstotliwość - 50 Hz.

W programie nie znalazłem amperomierza i woltomierza; multimetry odgrywają swoją rolę. Później zwróć uwagę na obfitość ich ustawień i możliwość wyboru rodzaju prądu.

W danym modelu multimetr XMM1 - mierzy prąd w obciążeniu, XMM3 - napięcie na wyjściu prostownika, XMM2 - napięcie na wejściu, XSC2 - oscyloskop. Zwróć uwagę na podpisy elementów - to wykluczy pytania podczas analizy rysunków, które będą poniżej. Nawiasem mówiąc, Multisim prezentuje modele prawdziwych diod, wybrałem najczęstszy 1n4007.

Przebieg na wejściu (kanał A) w polu z wynikami pomiaru jest pokazany na czerwono. Na niebiesko - napięcie wyjściowe (kanał B). Dla pierwszego kanału cena podziału pionowego jednej komórki wynosi 200 V / dz, a dla drugiego kanału to 500. Celowo zrobiłem to, aby wizualnie oddzielić przebiegi, w przeciwnym razie połączyłyby się.Żółta pionowa linia w lewej trzeciej części ekranu to metr, wartość napięcia w punkcie o maksymalnej amplitudzie jest opisana poniżej czarnego ekranu.

Amplituda wejściowa wynosi 311,1228 V, jak powiedziano na początku artykułu, a amplituda wyjściowa wynosi 310 281, różnica prawie jednego wolta jest spowodowana spadkiem na diodzie. Po prawej stronie obrazu znajdują się wyniki pomiarów multimetrem. Nazwy okien odpowiadają nazwom multimetrów XMM w obwodzie.

Z wykresu wynika, że ​​tak naprawdę tylko jedna półfala napięcia jest dostarczana do obciążenia, a jego średnia wartość wynosi 98 V, czyli więcej niż dwa mniej niż prąd wejściowy 220 V AC w ​​znaku.

Na poniższym schemacie dodaliśmy kondensator filtrujący i jeden multimetr do pomiaru prądu obciążenia, zapamiętaj ich podpisy, aby nie pomylić się podczas studiowania rysunków.

Rezystor przed diodą jest potrzebny do pomiaru prądu ładowania kondensatora, aby znaleźć prąd - podzielić liczbę woltów przez 1 (rezystancja). Jednak w przyszłości zauważymy, że przy wysokich prądach znaczny spadek napięcia na rezystorze, co może być mylące podczas pomiarów, w rzeczywistych warunkach - spowodowałoby to nagrzewanie się rezystora i utratę wydajności.

Przebieg pokazuje napięcie wejściowe w kolorze pomarańczowym, a prąd wejściowy w kolorze czerwonym. Nawiasem mówiąc, przesunięcie prądu jest zauważalne w kierunku wzrostu napięcia.

Na fali sygnału wyjściowego widzimy, jak to działa kondensator - napięcie w obciążeniu, gdy dioda jest zamknięta, a jedna półfala przechodzi, gładko maleje, jej średnia wartość rośnie, a tętnienie maleje. Po dodatniej połowie fali kondensator ładuje się i proces się powtarza.

Zwiększając rezystancję obciążenia o współczynnik 10, zmniejszyliśmy prąd, kondensator nie miał czasu na rozładowanie, tętnienia stały się znacznie mniejsze, więc udowodniliśmy informacje teoretyczne opisane w poprzednim rozdziale na temat tętnień oraz wpływu na nie prądu i pojemności. Aby to pokazać, moglibyśmy zmienić pojemność kondensatora.

Zmienił się również sygnał wejściowy - spadły prądy ładowania, a ich kształt pozostał ten sam.

Obwód półfalowy

Spójrzmy, jak działa schemat rektyfikacji obu półokresów. Zainstalowaliśmy mostek diodowy przy wejściu.

Oscylogramy pokazują, że obie półfale wchodzą w ładunek, ale fale są bardzo duże.

Dolna połowa półfali przy prądzie (na czerwono) pojawiła się na fali wejściowej.

Zmniejsz tętnienia, instalując filtrujący kondensator elektrolityczny na wejściu. W praktyce pożądane jest zainstalowanie ceramicznego równolegle z nim, aby zmniejszyć składowe sinusoidy o wysokiej częstotliwości (harmoniczne).

Fala wejściowa pokazuje, że odwrotna półfala została dodana, gdy kondensator był naładowany (staje się dodatni po mostku).

Kształt fali wyjściowej pokazuje, że tętnienie stało się mniejsze niż w pierwszym obwodzie z kondensatorem filtrującym, zauważ, że napięcie zmierza do amplitudy, im mniej tętnienia, tym bliższa jest jego średnia wartość do amplitudy.

Jeśli zwiększymy prąd obciążenia 20 razy, zmniejszając jego rezystancję, zobaczymy silne tętnienia na wyjściu.

A przy większych prądach ładunków na wejściu przesunięcie prądu fazowego jest bardzo zauważalne. Proces ładowania kondensatora nie przebiega liniowo, lecz wykładniczo, dlatego widzimy, że napięcie rośnie i spada prąd.

Wniosek

Prostowniki są szeroko stosowane we wszystkich obszarach elektroniki i ogólnie energii elektrycznej. Obwody prostownika są instalowane wszędzie - od miniaturowych zasilaczy i radioodbiorników po obwody mocy najmocniejszych silników prądu stałego w urządzeniach dźwigowych.

Symulacja doskonale pomaga zrozumieć procesy zachodzące w obwodach i zbadać, jak zmieniają się prądy wraz ze zmianą parametrów obwodu. Rozwój nowoczesnych technologii pozwala badać złożone procesy elektryczne bez drogiego sprzętu, takiego jak analizatory spektralne, mierniki częstotliwości, oscyloskopy, rejestratory i ultra-precyzyjne woltamperomierze. Pozwala to uniknąć błędów podczas projektowania obwodów przed montażem.