Eenfase gelijkrichters: typische circuits, golfvormen en modellering

Een gelijkrichter wordt in een wisselstroomcircuit gebruikt om deze naar gelijkstroom te converteren. De meest voorkomende is een gelijkrichter gemonteerd van halfgeleiderdioden. Tegelijkertijd kan het worden samengesteld uit discrete (afzonderlijke) diodes, of het kan in één behuizing zijn (diodesamenstel).

Laten we eens kijken wat een gelijkrichter is, wat ze zijn en aan het einde van het artikel zullen we simulatie uitvoeren in een Multisim-omgeving. Modellering helpt om de theorie in de praktijk te fixeren, zonder assemblage en echte componenten, om de vormen van spanningen en stromen in het circuit te bekijken.

AC gelijkrichtercircuits

De bovenstaande afbeeldingen tonen het uiterlijk van diodebruggen. Maar dit is niet het enige rechtstellingsschema. Voor eenfase spanning zijn er drie veel voorkomende rectificatieschema's:

1.1-halve periode (1ph1n).

2. 2-halve periode (1ph2p).

3. 2-halve periode met een middelpunt (1ph2p).

Halve golf rectificatieschema

Het eenvoudigste circuit bestaat uit slechts één diode, die een constante niet-gestabiliseerde rimpelspanning aan de uitgang geeft. Diodes zijn verbonden met het stroomcircuit door een fasedraad, of door een van de klemmen van de transformatorwikkeling, het tweede uiteinde van de belasting, de tweede belastingspool naar de neutrale draad of de tweede aansluiting van de transformatorwikkeling.

De effectieve waarde van de spanning in de belasting is ongeveer de helft van de amplitude. De amplitudewaarde van de spanning is de amplitude van de sinusgolf van het voedingsnetwerk in het algemeen voor wisselstroom

Uampl = Uaction * √2.

Voor elektrische netwerken in Rusland is de bedrijfsspanning van een eenfasig netwerk 220 V en is de amplitude ongeveer 311

In eenvoudige woorden - aan de uitgang krijgen we rimpelingen van de helft van de periode (20 ms voor 50 Hz) van 0 V tot 311 V. Gemiddeld is de spanning minder dan 220 volt, dit wordt gebruikt om niet-veeleisende spanningskwaliteitsconsumenten van stroom te voorzien of gloeilampen aan te zetten in bijkeuken en bijkeuken. Dit vermindert het stroomverbruik en verhoogt de levensduur.

Lyrische uitweiding:

De duurzaamheid van dergelijke lampen is kolossaal, ik kwam een ​​jaar geleden naar de werkplaats en de lamp werd in 2013 geïnstalleerd, dus hij schijnt nog elke dag 12 uur. Maar dergelijk licht kan niet worden gebruikt in werkruimtes, vanwege de hoge rimpel. Oscillogrammen van ingangs- en uitgangsspanningen worden hieronder weergegeven:

Het halve-golfcircuit schakelt slechts één halve golf af, wat u in het bovenstaande diagram ziet. Vanwege deze voeding krijgen we een grote rimpelfactor.

Het is de moeite waard om te zeggen dat als je het onderwerp een beetje verandert en overschakelt van netwerkgelijkrichters, een halfgolfcircuit op grote schaal wordt gebruikt in gepulseerde circuits, die spanning corrigeren puls spoel transformator secundair.

Op schakelvoedingen met laag vermogen wordt dit circuit ook gebruikt. Dit is precies hoe uw mobiele telefoon oplader waarschijnlijk is gemaakt.

Halfgolfcircuit

Om de rimpelcoëfficiënt en filtercapaciteit te verminderen, wordt een ander schema gebruikt - twee halve cycli. Het heet - diodebrug. Wisselspanning wordt geleverd aan het verbindingspunt van de tegenovergestelde polen van de diodes, en constant in teken van dezelfde naam. De uitgangsspanning van een dergelijke brug wordt gerectificeerd pulserend (of niet gestabiliseerd) genoemd. Het is deze opname van diodes die het meest voorkomt in alle elektronische gebieden.

Op de diagrammen zie je dat zowel de tweede halve golf van de wisselspanning "kantelt" en de belasting ingaat. In de eerste helft van de periode stroomt er stroom door de diodes VD1-VD4, in de tweede door een paar VD2-VD3.

De uitgangsspanning pulseert met een frequentie van 100 Hz

Het tweede circuit wordt gebruikt in voedingen met een middelpunt, in feite zijn dit twee halve golven gecombineerd met de secundaire wikkeling van een transformator met een middelpunt. Anoden zijn verbonden met de uiteinden van de wikkeling, kathoden zijn verbonden met één laadaansluiting (positief), de tweede laadaansluiting is verbonden met de kraan vanuit het midden van de wikkeling (middelpunt).

De grafiek van de uitgangsspanning is vergelijkbaar en we zullen er geen rekening mee houden. Het enige significante verschil is dat de stroom tegelijkertijd door een diode stroomt, en niet door een paar zoals in een brug. Dit vermindert het energieverlies op de diodebrug en de overmatige verwarming van halfgeleiders.

Rimpelfactor reductie

De rimpelfactor is een waarde die aangeeft hoeveel de uitgangsspanning rimpelt. Of andersom - hoe stabiel en gelijkmatig de stroom aan de belasting wordt geleverd.

Om de rimpelcoëfficiënt parallel met de belasting (de output van de diodebrug) te verminderen, zijn verschillende filters geïnstalleerd. De eenvoudigste optie is om een ​​condensator te installeren. Om de rimpelingen zo klein mogelijk te houden, moet de filtertijdconstante R van de filterbelasting een orde van grootte (of liever meerdere) groter zijn dan de rimpelperiode (in ons geval 10 ms).

Hiervoor moet de belasting een hoge weerstand en lage stroom hebben of is de capaciteit van de condensator groot genoeg.

De berekende verhouding voor het selecteren van een condensator is als volgt:

Kp is de vereiste rimpelfactor.

Kп = Uampl / Uavr

Om een ​​aantal filterkarakteristieken te verbeteren, kunnen LC-circuits aangesloten volgens het D- of P-filterschema worden gebruikt, in sommige gevallen andere configuraties. Het nadeel van het gebruik van LC-filters in amateurradiopraktijken is de noodzaak om een ​​filterchoke te selecteren. En de juiste voor de nominale waarde (inductie en stroom) is vaak niet bij de hand. Daarom moet u het zelf opwinden of op een andere manier uit de huidige situatie komen - door uit een voedingseenheid te stappen die vergelijkbaar is in capaciteit.

Simulatie van eenfase gelijkrichters

Laten we deze informatie in de praktijk oplossen en beginnen met het modelleren van elektrische circuits. Ik besloot dat om een ​​model van zo'n eenvoudig schema te maken, het Multisim-pakket perfect is - het is het gemakkelijkst om te leren van alles wat ik weet en vereist de minste middelen.

Zijn modelleringsalgoritmen zijn echter eenvoudiger dan in Orcad of Simulink (hoewel dit wiskundige modellering is, geen simulatie), daarom zijn de resultaten van het modelleren van sommige schema's niet betrouwbaar. Multisim is geschikt voor het bestuderen van de basisprincipes van elektronica, transistorbedrijfsmodi, operationele versterkers.

Onderschat de mogelijkheden van dit programma niet, met de juiste aanpak kan het het werk van complexe apparaten weergeven.

We zullen de modellen van de eerste twee circuits beschouwen, het derde circuit is in wezen vergelijkbaar met het tweede, maar heeft minder verlies vanwege de uitsluiting van twee sleutels en een grotere complexiteit - vanwege de noodzaak om een ​​transformator te gebruiken met een tik vanuit het midden van de secundaire wikkeling.

Halfgolfcircuit

Het schema waarmee de simulatie

De stroombron simuleert een eenfase huishoudelijk netwerk met de volgende kenmerken:

• sinusvormige stroom;

• 220 V rms-spanning;

• frequentie - 50 Hz.

Ik heb geen ampèremeter en voltmeter in het programma gevonden; multimeters spelen hun rol. Let later op de overvloed van hun instellingen en de mogelijkheid om het type stroom te kiezen.

In het gegeven model meet de multimeter XMM1 - de stroom in de belasting, XMM3 - de spanning aan de uitgang van de gelijkrichter, XMM2 - de spanning aan de ingang, XSC2 - de oscilloscoop. Besteed aandacht aan de handtekeningen van de elementen - dit sluit vragen uit bij het analyseren van de tekeningen, die hieronder staan. Trouwens, Multisim presenteert modellen van echte diodes, ik koos voor de meest voorkomende 1n4007.

De golfvorm aan de ingang (kanaal A) in het veld met de meetresultaten wordt rood weergegeven. In blauw - uitgangsspanning (kanaal B). Voor het eerste kanaal is de verticale delingsprijs van één cel 200 V / div en voor het tweede kanaal 500. Ik deed dit bewust om de golfvormen visueel te scheiden, anders fuseerden ze.De gele verticale lijn in het linker derde deel van het scherm is een meter, de spanningswaarde op een punt met maximale amplitude wordt onder het zwarte scherm beschreven.

De ingangsamplitude is 311,128 V, zoals aan het begin van het artikel werd gezegd, en de uitgangsamplitude is 310,281, een verschil van bijna één volt is te wijten aan een val op de diode. Aan de rechterkant van de afbeelding staan ​​multimeter-meetresultaten. De namen van de vensters komen overeen met de namen van de XMM-multimeters in het circuit.

Uit het diagram zien we dat echt slechts een halve golfspanning wordt geleverd aan de belasting, en de gemiddelde waarde is 98 V, wat meer dan twee minder is dan de ingangsstroom 220 V AC in teken.

In het volgende diagram hebben we een filtercondensator en een multimeter toegevoegd om de belastingsstroom te meten, onthoud hun handtekeningen om niet in de war te raken bij het bestuderen van de tekeningen.

De weerstand voor de diode is nodig om de laadstroom van de condensator te meten om de stroom te achterhalen - deel het aantal volt door 1 (weerstand). In de toekomst zullen we echter merken dat bij hoge stromen een significante spanning over de weerstand daalt, wat verwarrend kan zijn tijdens metingen, in reële omstandigheden - dit zou de weerstand opwarmen en verlies van efficiëntie veroorzaken.

De golfvorm toont de ingangsspanning in oranje en de ingangsstroom in rood. Overigens is een stroomverschuiving merkbaar in de richting van de spanningsvooruitgang.

Aan de golfvorm van het uitgangssignaal zien we hoe het werkt condensator - de spanning in de belasting terwijl de diode gesloten is en een halve golf passeert, neemt geleidelijk af, de gemiddelde waarde stijgt en de rimpel neemt af. Daarna laadt de condensator bij een positieve halve golf op en herhaalt het proces zich.

Door de belastingsweerstand met een factor 10 te verhogen, hebben we de stroom verlaagd, de condensator had geen tijd om te ontladen, de rimpelingen werden veel minder, dus we bewezen de theoretische informatie die in de vorige paragraaf is beschreven over rimpelingen en het effect van stroom en capaciteit daarop. Om dit aan te tonen, kunnen we de capaciteit van de condensator wijzigen.

Het ingangssignaal veranderde ook - de laadstromen namen af ​​en hun vorm bleef hetzelfde.

Halfgolfcircuit

Laten we eens kijken hoe het rectificatieschema van beide halve periodes in actie eruit ziet. We installeerden een diodebrug bij de ingang.

De oscillogrammen laten zien dat beide halve golven de belasting ingaan, maar de rimpelingen zijn erg groot.

De onderste helft van de halve golf op de huidige (in rood) verscheen op de ingangsgolfvorm.

Verminder rimpel door een filterende elektrolytische condensator aan de ingang te installeren. In de praktijk is het wenselijk om een ​​keramische parallel daaraan te installeren, om de hoogfrequente componenten van de sinusoïde (harmonischen) te verminderen.

De ingangsgolfvorm laat zien dat de inverse halve golf werd toegevoegd toen de condensator werd opgeladen (deze wordt positief na de brug).

De uitgangsgolfvorm laat zien dat de rimpel minder is dan in het eerste circuit met een filtercondensator. Merk op dat de spanning neigt naar de amplitude, hoe minder de rimpel, hoe dichter de gemiddelde waarde bij de amplitude.

Als we de belastingsstroom 20 keer verhogen en de weerstand verminderen, zien we sterke rimpelingen aan de uitgang.

En grotere ladingsstromen bij de ingang, de fasestroomverschuiving is zeer merkbaar. Het proces van het opladen van de condensator vindt niet lineair plaats, maar exponentieel, dus we zien dat de spanning stijgt en de stroom daalt.

conclusie

Gelijkrichters worden veel gebruikt op alle gebieden van elektronica en elektriciteit in het algemeen. Gelijkrichtercircuits zijn overal geïnstalleerd - van miniatuurvoedingen en radio's tot stroomcircuits van de krachtigste DC-motoren in kraanapparatuur.

Simulatie helpt perfect om de processen in de circuits te begrijpen en om te bestuderen hoe de stromen veranderen als de circuitparameters veranderen. De ontwikkeling van moderne technologieën maakt de studie van complexe elektrische processen mogelijk zonder dure apparatuur zoals spectrale analyzers, frequentiemeters, oscilloscopen, recorders en ultra-precieze voltammeters. Het voorkomt fouten bij het ontwerpen van circuits vóór montage.