วงจรเรียงกระแสเฟสเดียว: วงจรทั่วไป, รูปคลื่นและการสร้างแบบจำลอง

วงจรเรียงกระแสจะใช้ในวงจร AC เพื่อแปลงเป็น DC ที่พบมากที่สุดคือ rectifier ประกอบ จากไดโอดเซมิคอนดักเตอร์. ในขณะเดียวกันก็สามารถประกอบจากไดโอดแยก (แยก) หรือในที่อยู่อาศัยเดียว (ชุดประกอบไดโอด)

เรามาดูกันว่าตัวเรียงกระแสคืออะไรพวกมันคืออะไรและในตอนท้ายของบทความเราจะทำการจำลองสถานการณ์ในสภาพแวดล้อม Multisim การสร้างแบบจำลองช่วยในการแก้ไขทฤษฎีในทางปฏิบัติโดยไม่ต้องประกอบและส่วนประกอบจริงดูรูปแบบของแรงดันไฟฟ้าและกระแสในวงจร

วงจรเรียงกระแส AC

ภาพด้านบนแสดงลักษณะของสะพานไดโอด แต่นี่ไม่ได้เป็นเพียงวิธียืดผมเท่านั้น สำหรับแรงดันไฟฟ้าเฟสเดียวมีสามรูปแบบการแก้ไขทั่วไป:

1.1 ครึ่งรอบระยะเวลา (1ph1n)

2. ครึ่งระยะเวลา (1ph2p)

3. 2 ครึ่งเวลาพร้อมจุดกึ่งกลาง (1ph2p)

รูปแบบการแก้ไขคลื่นครึ่ง

วงจรที่ง่ายที่สุดประกอบด้วยไดโอดเพียงตัวเดียวซึ่งให้แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมคงที่ที่เอาท์พุท ไดโอดจะเชื่อมต่อกับวงจรพลังงานโดยลวดเฟสหรือโดยหนึ่งในขั้วของขดลวดหม้อแปลงปลายที่สองไปที่โหลดเสาโหลดที่สองกับลวดเป็นกลางหรือขั้วที่สองของขดลวดหม้อแปลง

ค่าที่มีประสิทธิภาพของแรงดันไฟฟ้าในโหลดมีค่าประมาณครึ่งหนึ่งของแอมพลิจูด ค่าแอมพลิจูดของแรงดันคือแอมพลิจูดของคลื่นไซน์ของเครือข่ายแหล่งจ่ายในกรณีทั่วไปสำหรับกระแสสลับ

Uampl = Uaction * √2

สำหรับเครือข่ายไฟฟ้าในรัสเซียแรงดันไฟฟ้าของเครือข่ายเฟสเดียวคือ 220 V และแอมพลิจูดประมาณ 311

คำง่ายๆ - ที่เอาต์พุตเราได้ระลอกคลื่นครึ่งความยาวของระยะเวลา (20 ms สำหรับ 50 Hz) จาก 0 V ถึง 311 V โดยเฉลี่ยแรงดันไฟฟ้าน้อยกว่า 220 โวลต์นี่ใช้เพื่อให้พลังงานแก่ผู้ใช้งานที่มีคุณภาพแรงดันไฟฟ้าสูงมาก ในห้องยูทิลิตี้และห้องยูทิลิตี้ สิ่งนี้จะช่วยลดการใช้พลังงานและเพิ่มอายุการใช้งาน

พูดนอกเรื่องโคลงสั้น ๆ :

ความทนทานของหลอดไฟดังกล่าวมีขนาดมหึมาฉันมาที่เวิร์กช็อปเมื่อปีที่แล้วและติดตั้งหลอดไฟในปี 2013 ดังนั้นมันจึงยังคงส่องสว่างเป็นเวลา 12 ชั่วโมงทุกวัน แต่แสงดังกล่าวไม่สามารถใช้ในห้องทำงานได้เนื่องจากมีระลอกคลื่นสูง ออสซิลโลแกรมของแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุตมีดังต่อไปนี้:

วงจรครึ่งคลื่นตัดเพียงครึ่งคลื่นเดียวซึ่งเป็นสิ่งที่คุณเห็นในแผนภาพด้านบน เนื่องจากแหล่งจ่ายไฟนี้เราจึงได้ปัจจัยระลอกใหญ่

มันคุ้มที่จะบอกว่าถ้าคุณเปลี่ยนหัวข้อเล็กน้อยและเปลี่ยนจากวงจรเรียงกระแสเครือข่ายวงจรครึ่งคลื่นจะถูกใช้อย่างกว้างขวางในวงจรพัลซิ่ง หม้อแปลงขดลวดทุติยภูมิ.

สำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งต่ำวงจรนี้ยังใช้ นี่เป็นวิธีที่อุปกรณ์ชาร์จโทรศัพท์มือถือของคุณผลิตขึ้นได้

วงจรครึ่งคลื่น

เพื่อลดค่าสัมประสิทธิ์ระลอกและความจุของตัวกรองมีการใช้รูปแบบอื่น - สองรอบครึ่ง มันถูกเรียกว่า - สะพานไดโอด. แรงดันไฟฟ้าสำรองถูกส่งไปยังจุดเชื่อมต่อของขั้วตรงข้ามของไดโอดและค่าคงที่ในเครื่องหมายจากชื่อเดียวกัน แรงดันเอาท์พุทของบริดจ์ดังกล่าวเรียกว่าการแก้ไขแบบพัลซิ่ง (หรือไม่เสถียร) นี่คือการรวมไดโอดที่พบมากที่สุดในทุกพื้นที่ของอิเล็กทรอนิกส์

ในแผนภาพคุณจะเห็นว่าทั้งคลื่นครึ่งที่สองของแรงดันไฟฟ้าสลับ "พลิก" และเข้าสู่โหลด ในช่วงครึ่งแรกของช่วงเวลากระแสไหลผ่านไดโอด VD1-VD4 ในช่วงวินาทีผ่านคู่ของ VD2-VD3

แรงดันเอาท์พุทพัลส์ที่ความถี่ 100 Hz

วงจรที่สองถูกใช้ในแหล่งจ่ายไฟที่มีจุดกึ่งกลางในความเป็นจริงเหล่านี้เป็นคลื่นสองครึ่งรวมกับขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงที่มีจุดกึ่งกลาง ขั้วบวกจะเชื่อมต่อกับปลายสุดของขดลวดขั้วลบจะเชื่อมต่อกับโหลดขั้วหนึ่ง (บวก) ขั้วโหลดที่สองเชื่อมต่อกับก๊อกจากจุดกึ่งกลางของขดลวด (จุดกึ่งกลาง)

กราฟแรงดันเอาต์พุตคล้ายกันและเราจะไม่พิจารณา ข้อแตกต่างที่สำคัญเพียงอย่างเดียวก็คือกระแสจะไหลไปพร้อม ๆ กันผ่านหนึ่งไดโอดและไม่ทะลุคู่เหมือนในสะพาน สิ่งนี้จะช่วยลดการสูญเสียพลังงานบนไดโอดบริดจ์และความร้อนส่วนเกินของเซมิคอนดักเตอร์

การลดปัจจัยระลอก

ปัจจัยการกระเพื่อมคือค่าที่สะท้อนถึงแรงดันไฟฟ้าขาออก หรือในทางกลับกัน - ความเสถียรและสม่ำเสมอของกระแสไฟฟ้าต่อโหลด

เพื่อลดค่าสัมประสิทธิ์การกระเพื่อมขนานกับโหลด (เอาต์พุตของไดโอดบริดจ์) ติดตั้งตัวกรองต่าง ๆ ตัวเลือกที่ง่ายที่สุดคือการติดตั้งตัวเก็บประจุ เพื่อให้ระลอกคลื่นมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ค่าคงที่เวลาตัวกรอง R ของภาระตัวกรองควรเป็นลำดับของขนาด (หรือค่อนข้างมากกว่า) มากกว่าช่วงระลอก (ในกรณีของเราคือ 10 ms)

สำหรับเรื่องนี้โหลดต้องมีความต้านทานสูงและกระแสต่ำหรือความจุของตัวเก็บประจุมีขนาดใหญ่พอ

อัตราส่วนที่คำนวณได้สำหรับการเลือกตัวเก็บประจุมีดังนี้:

Kp เป็นปัจจัยการกระเพื่อมที่จำเป็น

Kп = Uampl / Uavr

เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติของตัวกรองจำนวนมากวงจร LC ที่เชื่อมต่อตามแบบ D หรือ P-filter สามารถใช้ในบางกรณีการกำหนดค่าอื่น ๆ ข้อเสียของการใช้ฟิลเตอร์ LC ในการฝึกวิทยุสมัครเล่นคือความจำเป็นในการเลือกโช๊คกรอง และค่าที่เหมาะสมสำหรับค่าเล็กน้อย (การเหนี่ยวนำและกระแส) มักจะไม่อยู่ในมือ ดังนั้นคุณต้องไขตัวเองหรือออกจากสถานการณ์ปัจจุบันด้วยวิธีอื่น - โดยการปล่อยหน่วยจ่ายไฟที่มีความจุใกล้เคียงกัน

การจำลองวงจรเรียงกระแสเฟสเดียว

มาแก้ไขข้อมูลนี้ในทางปฏิบัติแล้วลงไปสร้างแบบจำลองวงจรไฟฟ้า ฉันตัดสินใจที่จะสร้างรูปแบบของโครงร่างอย่างง่ายชุด Multisim นั้นสมบูรณ์แบบ - เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการเรียนรู้จากสิ่งที่ฉันรู้และต้องการทรัพยากรน้อยที่สุด

อย่างไรก็ตามอัลกอริทึมการสร้างแบบจำลองของเขาง่ายกว่าใน Orcad หรือ Simulink (แม้ว่านี่จะเป็นการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ไม่ใช่การจำลอง) ดังนั้นผลลัพธ์ของการสร้างแบบจำลองของรูปแบบบางอย่างจึงไม่น่าเชื่อถือ Multisim เหมาะสำหรับการศึกษาพื้นฐานของอิเล็กทรอนิกส์โหมดการทำงานของทรานซิสเตอร์

อย่าประมาทขีดความสามารถของโปรแกรมนี้ด้วยวิธีการที่เหมาะสมมันสามารถแสดงการทำงานของอุปกรณ์ที่ซับซ้อนได้

เราจะพิจารณารูปแบบของสองวงจรแรกวงจรที่สามคล้ายกับที่สอง แต่มีการสูญเสียน้อยลงเนื่องจากการยกเว้นของสองปุ่มและความซับซ้อนมากขึ้น - เนื่องจากความต้องการที่จะใช้หม้อแปลงที่มีประปาจากกลางของขดลวดทุติยภูมิ

วงจรครึ่งคลื่น

รูปแบบการจำลอง

แหล่งพลังงานจำลองเครือข่ายครัวเรือนเฟสเดียวที่มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• กระแสไซน์

• แรงดันไฟฟ้า 220 V rms;

• ความถี่ - 50 Hz

ฉันไม่พบแอมป์มิเตอร์และโวลต์มิเตอร์ในโปรแกรมมัลติมิเตอร์มีบทบาท ต่อมาให้ความสนใจกับความอุดมสมบูรณ์ของการตั้งค่าของพวกเขาและความสามารถในการเลือกประเภทของกระแส

ในรุ่นที่กำหนดมัลติมิเตอร์ XMM1 - วัดกระแสในโหลด XMM3 - แรงดันที่เอาท์พุทของวงจรเรียงกระแส, XMM2 - แรงดันที่อินพุต, XSC2 - ออสซิลโลสโคป ให้ความสนใจกับลายเซ็นขององค์ประกอบ - นี้จะไม่รวมคำถามเมื่อวิเคราะห์ภาพวาดซึ่งจะอยู่ด้านล่าง โดยวิธีการที่ Multisim นำเสนอรูปแบบของไดโอดจริงฉันเลือก 1n4007 ที่พบบ่อยที่สุด

รูปคลื่นที่อินพุต (ช่องสัญญาณ A) ในสนามที่มีผลการวัดจะแสดงเป็นสีแดง ในแรงดันสีน้ำเงิน - ออก (ช่อง B) สำหรับช่องแรกราคาหารแนวตั้งของเซลล์หนึ่งคือ 200 V / div และสำหรับช่องที่สองคือ 500 ฉันตั้งใจทำอย่างนี้เพื่อแบ่งรูปคลื่นที่มองเห็นไม่เช่นนั้นพวกเขาจะรวมกันเส้นแนวตั้งสีเหลืองที่สามด้านซ้ายของหน้าจอคือหนึ่งเมตรค่าแรงดันไฟฟ้าที่จุดที่มีแอมพลิจูดสูงสุดอธิบายไว้ด้านล่างหน้าจอสีดำ

อินพุทแอมพลิจูดคือ 311.128 V ตามที่ได้กล่าวไว้ในตอนต้นของบทความและแอมพลิจูดเอาท์พุตคือ 310.281 ความแตกต่างของโวลต์เกือบหนึ่งอันเนื่องมาจากการลดลงของไดโอด ทางด้านขวาของภาพคือผลการวัดมัลติมิเตอร์ ชื่อของ windows สอดคล้องกับชื่อของมัลติมิเตอร์ XMM ในวงจร

จากแผนภาพเราจะเห็นว่าแรงดันไฟฟ้าเพียงครึ่งเดียวเท่านั้นที่จ่ายให้กับโหลดและค่าเฉลี่ยของมันคือ 98 V ซึ่งน้อยกว่าสองเท่าของกระแสอินพุท 220 V AC

ในแผนภาพต่อไปนี้เราได้เพิ่มตัวเก็บประจุตัวกรองและหนึ่งมัลติมิเตอร์เพื่อวัดโหลดปัจจุบันจำลายเซ็นของพวกเขาเพื่อไม่ให้สับสนเมื่อศึกษาภาพวาด

ตัวต้านทานด้านหน้าไดโอดจำเป็นต้องใช้เพื่อวัดกระแสประจุของตัวเก็บประจุเพื่อหากระแส - หารจำนวนโวลต์ 1 (ความต้านทาน) อย่างไรก็ตามในอนาคตเราจะสังเกตเห็นว่าที่กระแสสูงแรงดันไฟฟ้าที่สำคัญจะลดลงทั่วตัวต้านทานซึ่งอาจสร้างความสับสนในระหว่างการวัดในสภาพจริง - นี้จะทำให้ตัวต้านทานความร้อนและสูญเสียประสิทธิภาพ

รูปคลื่นแสดงแรงดันไฟเข้าเป็นสีส้มและกระแสไฟฟ้าเป็นสีแดง โดยวิธีการเปลี่ยนปัจจุบันจะเห็นได้ชัดเจนในทิศทางของแรงดันล่วงหน้า

ในรูปคลื่นของสัญญาณเอาต์พุตเราจะเห็นว่ามันทำงานอย่างไร ตัวเก็บประจุ - แรงดันไฟฟ้าในโหลดขณะที่ไดโอดปิดและคลื่นครึ่งหนึ่งผ่านลดลงอย่างราบรื่นค่าเฉลี่ยเพิ่มขึ้นและคลื่นลดลง หลังจากนั้นที่ครึ่งคลื่นบวกตัวเก็บประจุจะชาร์จประจุใหม่และกระบวนการจะทำซ้ำ

โดยการเพิ่มความต้านทานโหลดโดยปัจจัย 10 เราลดกระแสตัวเก็บประจุไม่มีเวลาที่จะปล่อยระลอกกลายเป็นน้อยมากดังนั้นเราจึงพิสูจน์ข้อมูลทางทฤษฎีที่อธิบายไว้ในส่วนก่อนหน้าเกี่ยวกับระลอกและผลกระทบของกระแสและกำลังการผลิต เพื่อที่จะแสดงสิ่งนี้เราสามารถเปลี่ยนความจุของตัวเก็บประจุ

สัญญาณอินพุตก็เปลี่ยนไป - กระแสประจุลดลงและรูปร่างของมันก็ยังเหมือนเดิม

วงจรครึ่งคลื่น

เรามาดูกันว่ารูปแบบการแก้ไขของครึ่งเวลาทั้งสองมีลักษณะอย่างไร เราติดตั้งสะพานไดโอดตรงทางเข้า

ออสซิลโลแกรมแสดงให้เห็นว่าคลื่นทั้งสองเข้าสู่โหลด แต่คลื่นมีขนาดใหญ่มาก

ครึ่งล่างของครึ่งคลื่น ณ ปัจจุบัน (สีแดง) ปรากฏบนรูปคลื่นของอินพุต

ลดระลอกคลื่นด้วยการติดตั้งตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าตัวกรองที่อินพุต ในทางปฏิบัติมันเป็นที่พึงปรารถนาที่จะติดตั้งเซรามิกแบบคู่ขนานกับมันเพื่อลดส่วนประกอบความถี่สูงของไซน์ไซด์ (ฮาร์โมนิก)

รูปแบบของคลื่นอินพุทแสดงให้เห็นว่าคลื่นครึ่งผกผันถูกเพิ่มเมื่อประจุถูกประจุ (มันจะกลายเป็นบวกหลังจากสะพาน)

รูปคลื่นสัญญาณเอาท์พุทแสดงให้เห็นว่าระลอกคลื่นน้อยกว่าในวงจรแรกที่มีตัวเก็บประจุตัวกรองโปรดทราบว่าแรงดันไฟฟ้ามีแนวโน้มที่จะขยายคลื่นยิ่งน้อยระลอกคลื่นยิ่งใกล้เคียงกับค่าเฉลี่ยของแอมพลิจูดมากเท่านั้น

หากเราเพิ่มกระแสโหลด 20 เท่าลดความต้านทานลงเราจะเห็นระลอกคลื่นที่แรงที่เอาต์พุต

และประจุที่มีขนาดใหญ่กว่าที่อินพุตการเปลี่ยนแปลงของเฟสปัจจุบันนั้นสังเกตได้ชัดเจนมาก กระบวนการของการชาร์จตัวเก็บประจุไม่ได้เกิดขึ้นเป็นเส้นตรง แต่จะอธิบายอย่างชัดเจนดังนั้นเราจะเห็นว่าแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นและกระแสลดลง

ข้อสรุป

วงจรเรียงกระแสที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในทุกพื้นที่ของอิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้าโดยทั่วไป วงจรเรียงกระแสมีการติดตั้งทุกที่ - ตั้งแต่อุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดเล็กและวิทยุไปจนถึงวงจรไฟฟ้าของมอเตอร์ DC ที่ทรงพลังที่สุดในอุปกรณ์เครน

การจำลองอย่างสมบูรณ์ช่วยให้เข้าใจกระบวนการที่เกิดขึ้นในวงจรและศึกษาการเปลี่ยนแปลงของกระแสในขณะที่พารามิเตอร์ของวงจรเปลี่ยนแปลง การพัฒนาเทคโนโลยีที่ทันสมัยช่วยให้การศึกษากระบวนการไฟฟ้าที่ซับซ้อนโดยไม่มีอุปกรณ์ราคาแพงเช่นเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมความถี่เมตรออสซิลโลสโคปเครื่องบันทึกและเครื่องวัดแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำเป็นพิเศษ หลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดเมื่อออกแบบวงจรก่อนประกอบ