Einphasengleichrichter: typische Schaltungen, Wellenformen und Modellierung

Ein Gleichrichter wird in einem Wechselstromkreis verwendet, um ihn in Gleichstrom umzuwandeln. Am gebräuchlichsten ist ein montierter Gleichrichter von Halbleiterdioden. Gleichzeitig kann es aus diskreten (separaten) Dioden zusammengesetzt werden oder es kann sich in einem Gehäuse befinden (Diodenanordnung).

Schauen wir uns an, was ein Gleichrichter ist, was er ist, und am Ende des Artikels werden wir eine Simulation in einer Multisim-Umgebung durchführen. Die Modellierung hilft dabei, die Theorie in der Praxis zu konsolidieren, ohne dass Baugruppen und reale Komponenten die Formen von Spannungen und Strömen in der Schaltung anzeigen.

Wechselstromgleichrichterschaltungen

Die obigen Bilder zeigen das Auftreten von Diodenbrücken. Dies ist jedoch nicht das einzige Richtungsschema. Für einphasige Spannungen gibt es drei übliche Gleichrichtungsschemata:

1,1-Halbperiode (1ph1n).

2. 2 halbe Periode (1ph2p).

3. 2 halbe Periode mit einem Mittelpunkt (1ph2p).

Halbwellengleichrichtungsschema

Die einfachste Schaltung besteht nur aus einer Diode, die am Ausgang eine konstante unstabilisierte Welligkeitsspannung ergibt. Dioden sind über einen Phasendraht oder über einen der Anschlüsse der Transformatorwicklung, das zweite Ende der Last, den zweiten Lastpol mit dem Neutralleiter oder den zweiten Anschluss der Transformatorwicklung mit dem Stromkreis verbunden.

Der effektive Wert der Spannung in der Last beträgt ungefähr die Hälfte der Amplitude. Der Amplitudenwert der Spannung ist die Amplitude der Sinuswelle des Versorgungsnetzes im allgemeinen Fall für Wechselstrom

Uampl = Uaction * √2.

Für elektrische Netze in Russland beträgt die Betriebsspannung eines einphasigen Netzes 220 V und die Amplitude ungefähr 311

Mit einfachen Worten: Am Ausgang erhalten wir Wellen, die die Hälfte der Periode (20 ms für 50 Hz) von 0 V bis 311 V betragen. Im Durchschnitt beträgt die Spannung weniger als 220 Volt. Dies wird verwendet, um anspruchslose Verbraucher mit Spannungsqualität zu versorgen oder Glühlampen einzuschalten in Hauswirtschaftsräumen und Hauswirtschaftsräumen. Dies reduziert den Stromverbrauch und erhöht die Lebensdauer.

Lyrischer Exkurs:

Die Haltbarkeit solcher Lampen ist enorm, ich bin vor einem Jahr in die Werkstatt gekommen und die Lampe wurde bereits 2013 installiert, sodass sie jeden Tag 12 Stunden lang leuchtet. Ein solches Licht kann jedoch aufgrund der hohen Welligkeit nicht in Arbeitsräumen verwendet werden. Die Oszillogramme der Eingangs- und Ausgangsspannungen sind nachstehend aufgeführt:

Die Halbwellenschaltung schneidet nur eine Halbwelle ab, wie Sie im obigen Diagramm sehen. Aufgrund dieser Stromversorgung erhalten wir einen großen Welligkeitsfaktor.

Es ist erwähnenswert, dass, wenn Sie das Thema ein wenig ändern und von Netzwerkgleichrichtern wechseln, eine Halbwellenschaltung in gepulsten Schaltungen, die die Spannung gleichrichten, weit verbreitet ist Impulsspulentransformator sekundär.

Bei Schaltnetzteilen mit geringem Stromverbrauch wird diese Schaltung ebenfalls verwendet. Genau so wird Ihr Handy-Ladegerät höchstwahrscheinlich hergestellt.

Halbwellenschaltung

Um den Welligkeitskoeffizienten und die Filterkapazität zu verringern, wird ein anderes Schema verwendet - ein Zwei-Halbzyklus. Es heißt - Diodenbrücke. Der Verbindungspunkt der entgegengesetzten Pole der Dioden wird mit Wechselspannung versorgt, deren Vorzeichen vom gleichen Namen konstant ist. Die Ausgangsspannung einer solchen Brücke wird als gleichgerichtetes Pulsieren (oder nicht stabilisiert) bezeichnet. Diese Einbeziehung von Dioden ist in allen Bereichen der Elektronik am verbreitetsten.

In den Diagrammen sehen Sie, dass sowohl die zweite Halbwelle der Wechselspannung „kippt“ als auch in die Last eintritt. In der ersten Hälfte der Periode fließt Strom durch die Dioden VD1-VD4, in der zweiten durch ein Paar VD2-VD3.

Die Ausgangsspannung pulsiert mit einer Frequenz von 100 Hz

Die zweite Schaltung wird in Stromversorgungen mit einem Mittelpunkt verwendet. Tatsächlich handelt es sich um zwei Halbwellen, die mit der Sekundärwicklung eines Transformators mit einem Mittelpunkt kombiniert sind. Anoden sind mit den äußersten Enden der Wicklung verbunden, Kathoden sind mit einem Lastanschluss (positiv) verbunden, der zweite Lastanschluss ist von der Mitte der Wicklung (Mittelpunkt) mit dem Abgriff verbunden.

Das Ausgangsspannungsdiagramm ist ähnlich und wird nicht berücksichtigt. Der einzige signifikante Unterschied besteht darin, dass der Strom gleichzeitig durch eine Diode und nicht wie bei einer Brücke durch ein Paar fließt. Dies reduziert den Energieverlust an der Diodenbrücke und die übermäßige Erwärmung von Halbleitern.

Reduzierung des Welligkeitsfaktors

Der Welligkeitsfaktor ist ein Wert, der angibt, wie stark sich die Ausgangsspannung kräuselt. Oder umgekehrt - wie stabil und gleichmäßig der Strom an die Last geliefert wird.

Um den Welligkeitskoeffizienten parallel zur Last (dem Ausgang der Diodenbrücke) zu reduzieren, sind verschiedene Filter installiert. Am einfachsten ist es, einen Kondensator zu installieren. Damit die Welligkeiten so klein wie möglich sind, sollte die Filterzeitkonstante R der Filterlast eine Größenordnung (oder vielmehr mehrere) größer sein als die Welligkeitsperiode (in unserem Fall 10 ms).

Dazu muss entweder die Last einen hohen Widerstand und einen niedrigen Strom haben oder die Kapazität des Kondensators ist groß genug.

Das berechnete Verhältnis zur Auswahl eines Kondensators ist wie folgt:

Kp ist der erforderliche Welligkeitsfaktor.

Kп = Uampl / Uavr

Um eine Reihe von Filtereigenschaften zu verbessern, können LC-Schaltungen verwendet werden, die gemäß dem D- oder P-Filterschema verbunden sind, in einigen Fällen auch mit anderen Konfigurationen. Der Nachteil der Verwendung von LC-Filtern in der Amateurfunkpraxis ist die Notwendigkeit, eine Filterdrossel auszuwählen. Und der richtige für den Nennwert (Induktivität und Strom) ist oft nicht vorhanden. Daher müssen Sie es entweder selbst aufwickeln oder auf andere Weise aus der aktuellen Situation herauskommen - nachdem Sie aus einem Netzteil mit ähnlicher Kapazität herausgefallen sind.

Simulation von Einphasengleichrichtern

Lassen Sie uns diese Informationen in der Praxis korrigieren und mit der Modellierung elektrischer Schaltkreise beginnen. Ich entschied, dass das Multisim-Paket perfekt ist, um ein Modell eines so einfachen Schemas zu erstellen - es ist am einfachsten, aus allem, was ich weiß, zu lernen und erfordert die geringsten Ressourcen.

Seine Modellierungsalgorithmen sind jedoch einfacher als in Orcad oder Simulink (obwohl dies eine mathematische Modellierung ist, keine Simulation), daher sind die Ergebnisse der Modellierung einiger Schemata nicht zuverlässig. Multisim eignet sich zum Studium der Grundlagen der Elektronik, der Transistorbetriebsarten und der Operationsverstärker.

Unterschätzen Sie nicht die Fähigkeiten dieses Programms. Mit dem richtigen Ansatz kann es die Arbeit komplexer Geräte anzeigen.

Wir werden die Modelle der ersten beiden Schaltkreise betrachten. Der dritte Schaltkreis ähnelt im Wesentlichen dem zweiten, weist jedoch weniger Verluste aufgrund des Ausschlusses von zwei Schlüsseln und eine größere Komplexität auf, da ein Transformator mit einem Abgriff von der Mitte der Sekundärwicklung verwendet werden muss.

Halbwellenschaltung

Das Schema, nach dem die Simulation

Die Stromquelle simuliert ein einphasiges Haushaltsnetz mit folgenden Eigenschaften:

• sinusförmiger Strom;

• 220 V Effektivspannung;

• Frequenz - 50 Hz.

Ich habe kein Amperemeter und Voltmeter im Programm gefunden, Multimeter spielen ihre Rolle. Achten Sie später auf die Fülle ihrer Einstellungen und die Möglichkeit, die Art des Stroms zu wählen.

In dem gegebenen Modell misst das Multimeter XMM1 - den Strom in der Last, XMM3 - die Spannung am Ausgang des Gleichrichters, XMM2 - die Spannung am Eingang, XSC2 - das Oszilloskop. Achten Sie auf die Signaturen der Elemente - dies schließt Fragen bei der Analyse der Zeichnungen aus, die unten aufgeführt sind. Übrigens, Multisim präsentiert Modelle von echten Dioden, ich habe die gängigste 1n4007 gewählt.

Die Wellenform am Eingang (Kanal A) im Feld mit den Messergebnissen wird rot angezeigt. In blau - Ausgangsspannung (Kanal B). Für den ersten Kanal beträgt der vertikale Teilungspreis einer Zelle 200 V / Div und für den zweiten Kanal 500. Ich habe dies absichtlich getan, um die Wellenformen visuell zu trennen, andernfalls verschmolzen sie.Die gelbe vertikale Linie im linken Drittel des Bildschirms ist ein Meter, der Spannungswert an einem Punkt mit maximaler Amplitude wird unter dem schwarzen Bildschirm beschrieben.

Die Eingangsamplitude beträgt 311,128 V, wie am Anfang des Artikels erwähnt, und die Ausgangsamplitude beträgt 310,281, eine Differenz von fast einem Volt ist auf einen Abfall der Diode zurückzuführen. Auf der rechten Seite des Bildes befinden sich Multimeter-Messergebnisse. Die Namen der Fenster entsprechen den Namen der XMM-Multimeter in der Schaltung.

Aus dem Diagramm sehen wir, dass der Last tatsächlich nur eine halbe Spannungswelle zugeführt wird und ihr Durchschnittswert 98 V beträgt, was mehr als zwei weniger als der Eingangsstrom 220 V AC im Vorzeichen ist.

In der folgenden Abbildung haben wir einen Filterkondensator und ein Multimeter hinzugefügt, um den Laststrom zu messen. Beachten Sie deren Signaturen, um beim Studium der Zeichnungen nicht verwirrt zu werden.

Der Widerstand vor der Diode wird benötigt, um den Ladestrom des Kondensators zu messen, um den Strom herauszufinden - dividieren Sie die Anzahl der Volt durch 1 (Widerstand). In Zukunft werden wir jedoch feststellen, dass bei hohen Strömen unter realen Bedingungen eine erhebliche Spannung am Widerstand abfällt, die während der Messungen verwirrend sein kann. Dies würde zu einer Erwärmung des Widerstands und einem Wirkungsgradverlust führen.

Die Wellenform zeigt die Eingangsspannung in Orange und den Eingangsstrom in Rot. Übrigens macht sich eine Stromverschiebung in Richtung Spannungsvorsprung bemerkbar.

An der Wellenform des Ausgangssignals sehen wir, wie es funktioniert Kondensator - Die Spannung in der Last, während die Diode geschlossen ist und eine Halbwelle durchläuft, nimmt gleichmäßig ab, ihr Durchschnittswert steigt an und die Welligkeit nimmt ab. Nach einer positiven Halbwelle lädt sich der Kondensator wieder auf und der Vorgang wiederholt sich.

Durch Erhöhen des Lastwiderstands um den Faktor 10 haben wir den Strom reduziert, der Kondensator hatte keine Zeit zum Entladen, die Welligkeiten wurden viel geringer, und wir haben die im vorherigen Abschnitt beschriebenen theoretischen Informationen über Welligkeiten und die Auswirkung von Strom und Kapazität auf sie bewiesen. Um dies zu zeigen, könnten wir die Kapazität des Kondensators ändern.

Das Eingangssignal änderte sich ebenfalls - die Ladeströme nahmen ab und ihre Form blieb gleich.

Halbwellenschaltung

Schauen wir uns an, wie das Berichtigungsschema beider Halbperioden in Aktion aussieht. Wir haben am Eingang eine Diodenbrücke installiert.

Die Oszillogramme zeigen, dass beide Halbwellen in die Last eintreten, die Wellen jedoch sehr groß sind.

Die untere Hälfte der Halbwelle beim Strom (in rot) erschien auf der Eingangswellenform.

Reduzieren Sie die Welligkeit, indem Sie am Eingang einen Filterelektrolytkondensator installieren. In der Praxis ist es wünschenswert, parallel dazu eine Keramik zu installieren, um die Hochfrequenzkomponenten der Sinuskurve (Harmonische) zu reduzieren.

Die Eingangswellenform zeigt, dass die inverse Halbwelle hinzugefügt wurde, als der Kondensator geladen wurde (sie wird nach der Brücke positiv).

Die Ausgangswellenform zeigt, dass die Welligkeit geringer wurde als in der ersten Schaltung mit einem Filterkondensator. Beachten Sie, dass die Spannung zur Amplitude tendiert. Je weniger Welligkeit, desto näher ist ihr Durchschnittswert der Amplitude.

Wenn wir den Laststrom um das 20-fache erhöhen und seinen Widerstand verringern, sehen wir starke Wellen am Ausgang.

Und bei größeren Ladungsströmen am Eingang ist die Phasenstromverschiebung sehr spürbar. Der Ladevorgang des Kondensators erfolgt nicht linear, sondern exponentiell. Wir sehen also, dass die Spannung ansteigt und der Strom abfällt.

Fazit

Gleichrichter sind in allen Bereichen der Elektronik und Elektrizität im Allgemeinen weit verbreitet. Gleichrichterkreise sind überall installiert - von Miniaturstromversorgungen und Funkgeräten bis hin zu Stromkreisen der leistungsstärksten Gleichstrommotoren in Krananlagen.

Die Modellierung hilft perfekt, die in den Schaltkreisen ablaufenden Prozesse zu verstehen und zu untersuchen, wie sich die Ströme ändern, wenn sich die Schaltkreisparameter ändern. Die Entwicklung moderner Technologien ermöglicht die Untersuchung komplexer elektrischer Prozesse ohne teure Geräte wie Spektralanalysatoren, Frequenzmesser, Oszilloskope, Rekorder und hochpräzise Voltammeter. Es vermeidet Fehler beim Entwerfen von Schaltkreisen vor dem Zusammenbau.