Rectificadores monofásicos: circuitos típicos, formas de onda y modelado.

Se utiliza un rectificador en un circuito de CA para convertirlo en CC. El más común es un rectificador ensamblado. de diodos semiconductores. Al mismo tiempo, puede ensamblarse a partir de diodos discretos (separados), o puede estar en una carcasa (ensamblaje de diodos).

Veamos qué es un rectificador, qué son y al final del artículo realizaremos la simulación en un entorno Multisim. El modelado ayuda a consolidar la teoría en la práctica, sin ensamblar y sin componentes reales, ver las formas de voltajes y corrientes en el circuito.

Circuitos rectificadores de CA

Las imágenes de arriba muestran la apariencia de puentes de diodos. Pero este no es el único esquema de enderezamiento. Para el voltaje monofásico, hay tres esquemas de rectificación comunes:

1.1 medio período (1ph1n).

2. 2 medio período (1ph2p).

3. 2 medio período con un punto medio (1ph2p).

Esquema de rectificación de media onda

El circuito más simple consta de un solo diodo, que proporciona un voltaje de ondulación constante no estabilizado en la salida. Los diodos están conectados al circuito de alimentación por un cable de fase, o por uno de los terminales del devanado del transformador, el segundo extremo de la carga, el segundo polo de carga al cable neutro o el segundo terminal del devanado del transformador.

El valor efectivo del voltaje en la carga es aproximadamente la mitad de la amplitud. El valor de amplitud del voltaje es la amplitud de la onda sinusoidal de la red de suministro en el caso general de corriente alterna.

Uampl = Uaction * √2.

Para las redes eléctricas en Rusia, el voltaje de funcionamiento de una red monofásica es de 220 V, y la amplitud es de aproximadamente 311

En palabras simples: en la salida obtenemos ondulaciones durante medio período (20 ms para 50 Hz) de 0 V a 311 V. En promedio, el voltaje es inferior a 220 voltios, esto se usa para alimentar a los consumidores que no son exigentes con la calidad del voltaje o para encender lámparas incandescentes en cuartos de servicio y cuartos de servicio. Esto reduce el consumo de energía y aumenta la vida útil.

Digresión lírica:

La durabilidad de estas lámparas es colosal, vine al taller hace un año y la lámpara se instaló en 2013, por lo que aún brilla durante 12 horas todos los días. Pero esa luz no se puede usar en salas de trabajo, debido a la alta ondulación. Los oscilogramas de los voltajes de entrada y salida se muestran a continuación:

El circuito de media onda corta solo una media onda, que es lo que ve en el diagrama de arriba. Debido a dicha nutrición, obtenemos un gran coeficiente de ondulación.

Vale la pena decir que si cambia un poco el tema y cambia de rectificadores de red, entonces un circuito de media onda se usa ampliamente en circuitos pulsados, rectificando voltaje transformador de bobina de pulso secundario.

En las fuentes de alimentación conmutadas de baja potencia, este circuito también se utiliza. Así es exactamente como se hace su cargador de teléfono móvil.

Circuito de media onda

Para reducir el coeficiente de ondulación y la capacidad del filtro, se utiliza otro esquema: dos medios ciclos. Se llama puente de diodos. Se suministra voltaje alterno al punto de conexión de los polos opuestos de los diodos, y un signo constante del mismo nombre. El voltaje de salida de dicho puente se llama pulsación rectificada (o no estabilizada). Esta inclusión de diodos es la más común en todas las áreas de la electrónica.

En los diagramas, se ve que tanto la segunda media onda del voltaje alterno "se voltea" y entra en la carga. En la primera mitad del período, la corriente fluye a través de los diodos VD1-VD4, en la segunda a través de un par de VD2-VD3.

El voltaje de salida pulsa a una frecuencia de 100 Hz.

El segundo circuito se usa en fuentes de alimentación con un punto medio, de hecho, estas son dos medias ondas combinadas con el devanado secundario de un transformador con un punto medio. Los ánodos están conectados a los extremos del devanado, los cátodos están conectados a un terminal de carga (positivo), el segundo terminal de carga está conectado al grifo desde el medio del devanado (punto medio).

El gráfico de voltaje de salida es similar y no lo consideraremos. La única diferencia significativa es que la corriente fluye simultáneamente a través de un diodo, y no a través de un par como en un puente. Esto reduce la pérdida de energía en el puente de diodos y el calentamiento excesivo de los semiconductores.

Reducción del factor de ondulación

El factor de ondulación es un valor que refleja cuánto ondula el voltaje de salida. O viceversa: cuán estable y uniforme es la corriente suministrada a la carga.

Para reducir el coeficiente de ondulación en paralelo con la carga (la salida del puente de diodos), se instalan varios filtros. La opción más fácil es instalar un condensador. Para que las ondas sean lo más pequeñas posible, la constante de tiempo de filtro R de la carga del filtro debe ser un orden de magnitud (o más bien varios) mayor que el período de ondulación (en nuestro caso, 10 ms).

Para esto, o la carga debe tener una alta resistencia y baja corriente, o la capacitancia del capacitor es lo suficientemente grande.

La relación calculada para seleccionar un condensador es la siguiente:

Kp es el factor de ondulación requerido.

Kп = Uampl / Uavr

Para mejorar una serie de características de filtro, se pueden utilizar circuitos LC conectados de acuerdo con el esquema de filtro D o P, en algunos casos otras configuraciones. La desventaja de usar filtros LC en la práctica de radioaficionados es la necesidad de seleccionar un estrangulador de filtro. Y el correcto para el valor nominal (inductancia y corriente) a menudo no está a la mano. Por lo tanto, debe desenrollarlo usted mismo o salir de la situación actual de otra manera: abandonando una fuente de alimentación de capacidad similar.

Simulación de rectificadores monofásicos.

Arreglemos esta información en la práctica y comencemos a modelar circuitos eléctricos. Decidí que para crear un modelo de un esquema tan simple, el paquete Multisim es perfecto: es lo más fácil de aprender de todo lo que sé y requiere la menor cantidad de recursos.

Sin embargo, sus algoritmos de modelado son más simples que en Orcad o Simulink (aunque esto es modelado matemático, no simulación), por lo tanto, los resultados del modelado de algunos esquemas no son confiables. Multisim es adecuado para estudiar los conceptos básicos de electrónica, modos de operación de transistores, amplificadores operacionales.

No subestime las capacidades de este programa, con el enfoque adecuado, puede mostrar el trabajo de dispositivos complejos.

Consideraremos los modelos de los primeros dos circuitos, el tercer circuito es esencialmente similar al segundo, pero tiene menos pérdidas debido a la exclusión de dos teclas y una mayor complejidad, debido a la necesidad de usar un transformador con una toma desde el medio del devanado secundario.

Circuito de media onda

El esquema por el cual la simulación

La fuente de energía simula una red doméstica monofásica con las siguientes características:

• corriente sinusoidal;

• Voltaje de 220 V rms;

• frecuencia - 50 Hz.

No encontré un amperímetro y un voltímetro en el programa; los multímetros juegan su papel. Más tarde, preste atención a la abundancia de su configuración y la capacidad de elegir el tipo de corriente.

En el modelo dado, el multímetro XMM1 - mide la corriente en la carga, XMM3 - el voltaje en la salida del rectificador, XMM2 - el voltaje en la entrada, XSC2 - el osciloscopio. Preste atención a las firmas de los elementos; esto excluirá las preguntas al analizar los dibujos, que estarán a continuación. Por cierto, Multisim presenta modelos de diodos reales, elegí el 1n4007 más común.

La forma de onda en la entrada (canal A) en el campo con los resultados de la medición se muestra en rojo. En azul - tensión de salida (canal B). Para el primer canal, el precio de división vertical de una celda es 200 V / div, y para el segundo canal es 500. Hice esto deliberadamente para separar visualmente las formas de onda, de lo contrario se fusionaron.La línea vertical amarilla en el tercio izquierdo de la pantalla es un medidor, el valor del voltaje en un punto con amplitud máxima se describe debajo de la pantalla negra.

La amplitud de entrada es 311.128 V, como se dijo al principio del artículo, y la amplitud de salida es 310.281, una diferencia de casi un voltio se debe a una caída en el diodo. En el lado derecho de la imagen se encuentran los resultados de medición del multímetro. Los nombres de las ventanas corresponden a los nombres de los multímetros XMM en el circuito.

En el diagrama vemos que en realidad solo se suministra una media onda de voltaje a la carga, y su valor promedio es 98 V, que es más de dos menos que la señal de corriente de entrada de 220 V CA.

En el siguiente diagrama, agregamos un condensador de filtrado y un multímetro para medir la corriente de carga, recuerde sus firmas para no confundirse al estudiar los dibujos.

La resistencia frente al diodo es necesaria para medir la corriente de carga del condensador para descubrir la corriente: divida el número de voltios por 1 (resistencia). Sin embargo, en el futuro notaremos que a altas corrientes cae un voltaje significativo a través de la resistencia, lo que puede ser confuso durante las mediciones, en condiciones reales; esto provocaría que la resistencia se caliente y pierda la eficiencia.

La forma de onda muestra el voltaje de entrada en naranja y la corriente de entrada en rojo. Por cierto, se nota un cambio de corriente en la dirección del avance del voltaje.

En la forma de onda de la señal de salida, vemos cómo funciona condensador - el voltaje en la carga mientras el diodo está cerrado y pasa una media onda, disminuye suavemente, su valor promedio aumenta y la ondulación disminuye. Luego, a una media onda positiva, el condensador se recarga y el proceso se repite.

Al aumentar la resistencia de la carga en un factor de 10, redujimos la corriente, el condensador no tuvo tiempo de descargar, las ondas se volvieron mucho menos, por lo que probamos la información teórica descrita en la sección anterior sobre las ondas y el efecto de la corriente y la capacidad sobre ellas. Para mostrar esto, podríamos cambiar la capacitancia del capacitor.

La señal de entrada también cambió: las corrientes de carga disminuyeron y su forma se mantuvo igual.

Circuito de media onda

Veamos cómo se ve en acción el esquema de rectificación de ambos medios períodos. Instalamos un puente de diodos en la entrada.

Los oscilogramas muestran que ambas medias ondas entran en la carga, pero las ondas son muy grandes.

La mitad inferior de la media onda en la corriente (en rojo) apareció en la forma de onda de entrada.

Reduzca la ondulación instalando un condensador electrolítico filtrante en la entrada. En la práctica, es deseable instalar una cerámica en paralelo para reducir los componentes de alta frecuencia del sinusoide (armónicos).

La forma de onda de entrada muestra que la media onda inversa se agregó cuando se cargó el condensador (se vuelve positivo después del puente).

La forma de onda de salida muestra que la ondulación se volvió menor que en el primer circuito con un condensador de filtrado, tenga en cuenta que el voltaje tiende a la amplitud, cuanto menor sea la ondulación, más cercano es su valor promedio a la amplitud.

Si aumentamos la corriente de carga en 20 veces, reduciendo su resistencia, veremos fuertes ondas en la salida.

Y mayores corrientes de cargas en la entrada, el cambio de corriente de fase es muy notable. El proceso de carga del condensador no ocurre linealmente, sino exponencialmente, por lo que vemos que el voltaje aumenta y la corriente cae.

Conclusión

Los rectificadores son ampliamente utilizados en todas las áreas de la electrónica y la electricidad en general. Los circuitos rectificadores se instalan en todas partes, desde fuentes de alimentación en miniatura y radios hasta circuitos de alimentación de los motores de CC más potentes en equipos de grúas.

La simulación ayuda perfectamente a comprender los procesos que ocurren en los circuitos y a estudiar cómo cambian las corrientes a medida que cambian los parámetros del circuito. El desarrollo de tecnologías modernas permite el estudio de procesos eléctricos complejos sin equipos costosos como analizadores espectrales, medidores de frecuencia, osciloscopios, grabadores y voltampeímetros ultraprecisos. Evita errores al diseñar circuitos antes del montaje.