Egyfázisú egyenirányítók: tipikus áramkörök, hullámformák és modellezés

Az egyenirányítót egy váltóáramú áramkörben DC-re konvertálják. A leggyakoribb az összeszerelt egyenirányító félvezető diódákból. Ugyanakkor összeállítható különálló (különálló) diódákból, vagy lehet egy házban (diódaegység).

Nézzük meg, mi az egyenirányító, mik azok és a cikk végén egy szimulációt folytatunk Multisim környezetben. A modellezés segít az elméletnek a gyakorlatban történő megszilárdításában, összeszerelés és valós alkatrészek nélkül, megnézheti a feszültségek és áramok formáját az áramkörben.

AC egyenirányító áramkörök

A fenti képek a diódahidak megjelenését mutatják. De ez nem az egyetlen kiegyenesítő rendszer. Az egyfázisú feszültségre három általános helyreigazítási séma létezik:

1,1 félidőszak (1ph1n).

2. Két félidőszak (1ph2p).

3. Két félidő középpontjával (1ph2p).

Félhullámú helyesbítési rendszer

A legegyszerűbb áramkör csak egy diódából áll, amely állandó stabilizálatlan feszültséget ad a kimeneten. A diódokat egy fázisvezeték, vagy a transzformátor tekercselésének egyik kivezetése, a második vég a teher felé, a második teher pólusa a semleges vezetékhez vagy a transzformátor tekercs második kivezetése köti össze az energiaáramkörrel.

A terhelés feszültségének tényleges értéke körülbelül az amplitúdó fele. A feszültség amplitúdóértéke a tápfeszültség szinuszhullámának amplitúdója általában váltakozó áram esetén

Uampl = cselekvés * √2.

Oroszországban az elektromos hálózatok esetében az egyfázisú hálózat üzemi feszültsége 220 V, amplitúdója pedig körülbelül 311

Egyszerű szavakkal: a kimeneten az időszak hosszának felét (20 ms 50 Hz-nél) 0 V-tól 311 V-ig kapunk hullámzást. Átlagosan a feszültség kevesebb, mint 220 V, ezt a szükségtelen feszültségű fogyasztók táplálására vagy az izzólámpák bekapcsolására használják. háztartási és háztartási helyiségekben. Ez csökkenti az energiafogyasztást és növeli az élettartamot.

Lírai eltérés:

Az ilyen lámpák tartóssága óriási, egy évvel ezelőtt jöttem a műhelybe, és a lámpát 2013-ban telepítették, így továbbra is napi 12 órán keresztül világít. Az ilyen fény azonban a magas fodrozódás miatt nem használható a munkatermekben. A bemeneti és kimeneti feszültségek oszcillogramja az alábbiakban látható:

A félhullámú áramkör csak egy félhullámot szakít le, ezt látod a fenti ábrán. Ezen áramellátás miatt nagy hullámozási tényezőt kapunk.

Érdemes azt mondani, hogy ha kicsit megváltoztatja a témát, és vált a hálózati egyenirányítókról, akkor a félhullámú áramkört széles körben használják az impulzusos áramkörökben, feszültség-helyreigazítással impulzus tekercs transzformátor másodlagos.

Alacsony fogyasztású kapcsoló tápegységeknél ezt az áramkört is használják. Pontosan így készül a mobiltelefon-töltő.

Félhullámú áramkör

A hullámozási együttható és a szűrőkapacitás csökkentése érdekében egy másik sémát alkalmaznak - két fele-ciklus. Hívják - dióda híd. A dióda ellentétes pólusainak csatlakozási pontjára váltakozó feszültséget kell betáplálni, állandó azonos jelű jelben. Az ilyen híd kimeneti feszültségét egyenirányító pulzálónak (vagy nem stabilizáltnak) nevezzük. A diódák ilyen beépítése a leggyakoribb az elektronika minden területén.

A diagramokon láthatja, hogy a váltakozó feszültség mindkét második félhulláma „megfordul”, és bekerül a terhelésbe. Az időszak első felében az áram a VD1-VD4 diódákon, a másodikban a VD2-VD3 páron keresztül áramlik.

A kimeneti feszültség 100 Hz frekvencián pulzál

A második áramkört középpontú tápegységekben használják, valójában ezek két félhullám, a középső ponttal rendelkező transzformátor másodlagos tekercsével kombinálva. Az anódok a tekercs szélső végéhez vannak csatlakoztatva, a katódok egy teherkapocshoz vannak csatlakoztatva (pozitív), a második terheléshez pedig a tekercs közepétől (középpont) kell csatlakoztatni a csapot.

A kimeneti feszültség gráfja hasonló, és ezt nem vesszük figyelembe. Az egyetlen jelentős különbség az, hogy az áram egyidejűleg folyik egy diónán, és nem egy páron keresztül, mint egy hídon. Ez csökkenti a diódahíd energiaveszteségét és a félvezetők felesleges melegítését.

Ripple tényező csökkentése

A hullámozási tényező egy olyan érték, amely tükrözi a kimeneti feszültség mennyit hullámzik. Vagy fordítva - mennyire stabil és egyenletes az áram a betápláláshoz.

A fodrozási együttható csökkentése érdekében a terheléssel párhuzamosan (a diódahíd kimenete) különféle szűrőket kell telepíteni. A legegyszerűbb lehetőség egy kondenzátor felszerelése. Annak érdekében, hogy a hullámok a lehető legkisebbek legyenek, a szűrőterhelés R szűrési időállandójának nagyságrenddel (vagy inkább több) nagyobbnak kell lennie, mint a fodrozódási periódus (a mi esetünkben 10 ms).

Ehhez vagy a terhelésnek nagy ellenállással és alacsony árammal kell rendelkeznie, vagy a kondenzátor kapacitása elég nagy.

A kondenzátor kiválasztására kiszámított arány a következő:

Kp a szükséges hullámozási tényező.

Kп = Uampl / Uavr

Számos szűrőjellemző javításához a D vagy a P-szűrő séma szerint csatlakoztatott LC áramköröket, bizonyos esetekben más konfigurációkat is lehet használni. Az LC szűrők amatőr rádiós gyakorlatban való alkalmazásának hátránya, hogy szükség van egy szűrő fojtó kiválasztására. És a névleges értékhez (induktivitás és áram) megfelelő nincs gyakran kéznél. Ezért saját magát kell felcsévélnie, vagy más módon kijátszania a jelenlegi helyzetet - miután leesett egy hasonló teljesítményű tápegységről.

Az egyfázisú egyenirányítók szimulálása

Javítsuk ki ezt az információt a gyakorlatban, és térjünk át az elektromos áramkörök modellezéséhez. Úgy döntöttem, hogy egy ilyen egyszerű séma modellezéséhez a Multisim csomag tökéletes - ez a legkönnyebb megtanulni mindaztól, amit tudok, és a legkevesebb erőforrást igényli.

Modellező algoritmusai azonban egyszerűbbek, mint az Orcadban vagy a Simulinkben (bár ez matematikai modellezés, nem szimuláció), tehát egyes sémák modellezésének eredményei nem megbízhatók. A Multisim alkalmas az elektronika, a tranzisztor üzemmódok, az operációs erősítők alapjainak tanulmányozására.

Ne becsülje alá ennek a programnak a képességeit. Megfelelő megközelítéssel megjelenítheti az összetett eszközök munkáját.

Megvizsgáljuk az első két áramkör modelljét, a harmadik áramkör lényegében hasonló a másodikhoz, de kevesebb veszteséggel jár a két kulcs kizárása és a nagyobb bonyolultság miatt - annak köszönhetően, hogy egy transzformátort csapokkal kell használni a másodlagos tekercs közepéről.

Félhullámú áramkör

A szimuláció sémája

Az áramforrás az egyfázisú háztartási hálózatot szimulálja, a következő jellemzőkkel:

• szinuszos áram;

• 220 V effektív feszültség;

• frekvencia - 50 Hz.

Nem találtam ampermérőt és voltmérőt a programban, a multiméterek játszanak szerepet. Később ügyeljen a beállítások bőségére és az áram típusának megválasztására.

Az adott modellben az XMM1 multiméter - méri a terhelést, XMM3 - az egyenirányító kimeneti feszültségét, XMM2 - a bemeneti feszültséget, XSC2 - az oszcilloszkópot. Vegye figyelembe az elemek aláírását - ez kizárja a kérdéseket a rajzok elemzésekor, amelyek az alábbiakban találhatók. Mellesleg, a Multisim bemutatja a valódi diódák modelljeit, a leggyakoribb 1n4007-et választottam.

A hullámforma a bemenetnél (A csatorna) a mezőben a mérési eredményekkel piros színű. Kékben - kimeneti feszültség (B csatorna). Az első csatorna esetében az egyik cella függőleges megosztási ára 200 V / div, a második csatorna esetében pedig 500. Szándékosan ezt tettem a hullámformák vizuális megosztásához, különben összeolvadtak.A képernyő bal harmadában lévő sárga függőleges vonal méter, a maximális amplitúdójú pont feszültségértéke a fekete képernyő alatt található.

A bemeneti amplitúdó 311,128 V, amint azt a cikk elején elmondták, és a kimeneti amplitúdó 310,281, majdnem egy voltos különbség a dióda esésének következménye. A kép jobb oldalán multiméter mérési eredmények találhatók. Az ablakok neve megfelel az áramkörben lévő XMM multiméterek nevének.

A diagramból láthatjuk, hogy a terhelésnek valójában csak egy feszültség félhulláma van, és átlagos értéke 98 V, azaz több mint kettővel kevesebb, mint a 220 V AC bemeneti áram.

A következő ábrán szűrőkondenzátort és egy multimétert adtunk hozzá a terhelési áram méréséhez, ne felejtsük el aláírásaikat, hogy ne zavarjanak a rajzok tanulmányozásakor.

A dióda előtti ellenállásra van szükség a kondenzátor töltőáramának méréséhez az áram meghatározásához - ossza meg a voltok számát 1-vel (ellenállás). A jövőben azonban észrevesszük, hogy nagy áramerősség mellett az ellenálláson jelentős feszültség esik, ami valódi körülmények között zavaró lehet a mérések során - ez az ellenállás felmelegedését és a hatékonyság csökkenését okozhatja.

A hullámforma a bemeneti feszültséget narancssárga, a bemeneti áramot pedig piros színnel mutatja. By the way, az áram eltolódása észrevehető a feszültség előrehaladásának irányában.

A kimeneti jel hullámformáján láthatjuk, hogyan működik kondenzátor - a terhelés feszültsége, miközben a dióda zárva van és az egyik félhullám áthalad, simán csökken, átlagértéke emelkedik, és a fodrozódás csökken. Ezután egy pozitív félhullámnál a kondenzátor újratöltődik és a folyamat megismétlődik.

A terhelési ellenállás tízszeresére történő növelésével csökkentjük az áramot, a kondenzátornak nem volt ideje kisülni, a fodrozódás sokkal kevesebb lett, így bebizonyítottuk az előző szakaszban ismertetett elméleti információkat a hullámokról, valamint az áram és a kapacitás rájuk gyakorolt ​​hatásáról. Ennek megmutatása érdekében megváltoztathatjuk a kondenzátor kapacitását.

A bemenő jel is megváltozott - a töltési áramok csökkent, alakjuk változatlan maradt.

Félhullámú áramkör

Nézzük meg, hogyan néz ki a két félidőszak helyreigazítási sémája. A bejáratnál diódahídot telepítettünk.

Az oszcillogramok azt mutatják, hogy mindkét félhullám bekerül a terhelésbe, de a hullámok nagyon nagyok.

A félhullám alsó része az áramnál (piros) megjelenik a bemeneti hullámformán.

Csökkentse a fodrozódást egy szűrő elektrolit kondenzátor felszerelésével a bemenetre. A gyakorlatban kívánatos egy kerámia telepítése azzal párhuzamosan, hogy a sinusoid magas frekvenciájú összetevői (harmonikusok) csökkenjenek.

A bemeneti hullámforma azt mutatja, hogy az inverz félhullám hozzáadódott a kondenzátor töltésekor (ez a híd után pozitívvá válik).

A kimeneti hullámforma azt mutatja, hogy a fodrozódás kisebb, mint az első áramkörnél, ahol a szűrőkondenzátor van. Vegye figyelembe, hogy a feszültség hajlamos az amplitúdóra, minél kisebb a fodrozódás, annál közelebb van az átlagos értéke az amplitúdóhoz.

Ha 20-szor növeli a terhelési áramot, csökkentve annak ellenállását, akkor erősen hullámzik a kimenet.

És ha nagyobb a töltési áram a bemeneten, akkor a fázisáram-eltolás nagyon észrevehető. A kondenzátor töltésének folyamata nem lineárisan, hanem exponenciálisan zajlik, tehát látjuk, hogy a feszültség megemelkedik és az áram csökken.

következtetés

Az egyenirányítókat széles körben használják az elektronika és általában az elektromosság minden területén. Az egyenirányító áramköröket mindenütt telepítik - a miniatűr tápegységektől és rádióktól kezdve a daru berendezés legerősebb DC motorjainak áramköréhez.

A szimuláció tökéletesen segíti az áramkörökben zajló folyamatok megértését és annak megvizsgálását, hogyan változnak az áramok az áramkör paramétereinek változásakor. A modern technológiák kifejlesztése lehetővé teszi a komplex elektromos folyamatok tanulmányozását drága berendezések, például spektrális analizátorok, frekvencia-mérők, oszcilloszkópok, felvevők és ultra-pontos voltaméterek nélkül. Elkerüli a hibákat az áramkörök összeszerelés előtti tervezésekor.