Redresoare monofazate: circuite tipice, forme de undă și modelare

Un redresor este utilizat într-un circuit de curent alternativ pentru a-l converti în curent continuu. Cel mai frecvent este un redresor asamblat de la diode semiconductoare. În același timp, poate fi asamblat din diode discrete (separate) sau poate fi într-o singură carcasă (ansamblu diode).

Să ne uităm la ce este un redresor, care sunt acestea, iar la sfârșitul articolului vom efectua simulări într-un mediu Multisim. Modelarea ajută la consolidarea teoriei în practică, fără asamblare și componente reale, vizualizarea formelor de tensiuni și curenți din circuit.

Circuite redresoare de curent alternativ

Imaginile de mai sus arată aspectul podurilor cu diode. Dar aceasta nu este singura schemă de îndreptare. Pentru tensiunea monofazată, există trei scheme comune de rectificare:

1.1-jumătate de perioadă (1ph1n).

2. 2-jumătate de perioadă (1ph2p).

3. 2-jumătate de perioadă cu punct mediu (1ph2p).

Schema de rectificare a valurilor cu jumătate de undă

Cel mai simplu circuit este format dintr-o singură diodă, care oferă o tensiune de ondulare constantă nestabilizată la ieșire. Diodele sunt conectate la circuitul de alimentare printr-un fir de fază sau printr-unul dintre bornele înfășurării transformatorului, al doilea capăt la sarcină, al doilea pol de sarcină la firul neutru sau al doilea terminal al înfășurării transformatorului.

Valoarea efectivă a tensiunii în sarcină este aproximativ jumătate din amplitudine. Valoarea de amplitudine a tensiunii este amplitudinea undei sinusoidale a rețelei de alimentare în cazul general pentru curent alternativ

Uampl = Uaction * √2.

Pentru rețelele electrice din Rusia, tensiunea de funcționare a unei rețele monofazate este de 220 V, iar amplitudinea este de aproximativ 311

În cuvinte simple - la ieșire obținem ondulări la jumătate din lungimea perioadei (20 ms pentru 50 Hz) de la 0 V la 311 V. În medie, tensiunea este mai mică de 220 volți, aceasta este utilizată pentru a alimenta consumatorii de calitate a tensiunii nedemandabile sau pentru a porni lămpi incandescente. în camerele de utilități și camerele de utilități. Acest lucru reduce consumul de energie și crește durata de funcționare.

Digresia lirică:

Durabilitatea unor astfel de lămpi este colosală, am venit la atelier în urmă cu un an, iar lampa a fost instalată încă din 2013, deci încă strălucește 12 ore în fiecare zi. Dar o astfel de lumină nu poate fi folosită în sălile de lucru, din cauza ondulării mari. Oscilogramele tensiunilor de intrare și ieșire sunt prezentate mai jos:

Circuitul cu jumătate de undă taie doar o jumătate de undă, ceea ce vedeți în diagrama de mai sus. Datorită acestei surse de energie, obținem un factor mare de ondulare.

Merită spus că dacă schimbați puțin subiectul și treceți de la redresoarele de rețea, atunci un circuit cu jumătate de undă este utilizat pe scară largă în circuitele cu impulsuri, rectificând tensiunea transformator bobină secundară.

La sursele de alimentare cu comutare mică, este folosit și acest circuit. Acesta este exact modul în care este cel mai probabil încărcătorul de telefon mobil.

Circuitul cu jumătate de undă

Pentru a reduce coeficientul de umplere și capacitatea de filtrare, se utilizează o altă schemă - două jumătăți de ciclu. Se numește - pod de diodă. Tensiunea alternativă este furnizată la punctul de conectare al poliilor opuși ai diodelor, și constantă în semn cu același nume. Tensiunea de ieșire a unui astfel de pod se numește pulsator redresat (sau nu stabilizat). Această includere a diodelor este cea mai frecventă în toate domeniile electronice.

Pe diagrame vedeți că atât a doua jumătate de undă a tensiunii alternative „se învârte” și intră în sarcină. În prima jumătate a perioadei, curentul curge prin diodele VD1-VD4, în a doua printr-o pereche de VD2-VD3.

Tensiunea de ieșire pulsează la o frecvență de 100 Hz

Al doilea circuit este utilizat la sursele de alimentare cu un punct mijlociu, de fapt acestea sunt două jumătăți de undă combinate cu înfășurarea secundară a unui transformator cu un punct mijlociu. Anodii sunt conectați la capetele extreme ale înfășurării, catodii sunt conectați la un terminal de sarcină (pozitiv), al doilea terminal de sarcină este conectat la robinet de la mijlocul înfășurării (punctul mijlociu).

Graficul tensiunii de ieșire este similar și nu îl vom lua în considerare. Singura diferență semnificativă este că curentul curge simultan printr-o singură diodă și nu printr-o pereche ca într-un pod. Acest lucru reduce pierderea de energie pe podul diodei și încălzirea în exces a semiconductorilor.

Reducerea factorului de umplere

Factorul de umplere este o valoare care reflectă cât de mult se ondulează tensiunea de ieșire. Sau invers - cât de stabil și uniform este furnizat curentul la sarcină.

Pentru a reduce coeficientul de umplere în paralel cu sarcina (ieșirea podului diodei), sunt instalate diferite filtre. Cea mai ușoară opțiune este instalarea unui condensator. Pentru ca ondulările să fie cât mai mici, constanta de timp a filtrului R a încărcării filtrului ar trebui să fie un ordin de mărime (sau mai degrabă mai multe) mai mare decât perioada de umplere (în cazul nostru, 10 ms).

Pentru aceasta, fie sarcina trebuie să aibă o rezistență mare și un curent scăzut, fie capacitatea condensatorului este suficient de mare.

Raportul calculat pentru selectarea unui condensator este următorul:

Kp este factorul de umplere necesar.

Kп = Uampl / Uavr

Pentru a îmbunătăți o serie de caracteristici ale filtrului, se pot utiliza circuite LC conectate în conformitate cu schema de filtrare D sau P, în unele cazuri, alte configurații. Dezavantajul folosirii filtrelor LC în practica radioamatorilor este necesitatea selectării unui sufoc de filtru. Iar cea potrivită pentru valoarea nominală (inductanță și curent) nu este de multe ori la îndemână. Prin urmare, trebuie să fie lichidat singur, fie să ieșiți din situația actuală într-un alt mod - renunțând la o unitate de alimentare similară cu capacitate.

Simularea redresoarelor monofazate

Să rezolvăm aceste informații în practică și să trecem la modelarea circuitelor electrice. Am decis că pentru a crea un model cu o schemă atât de simplă, pachetul Multisim este perfect - este cel mai ușor de învățat din tot ceea ce știu și necesită cele mai puține resurse.

Cu toate acestea, algoritmii lui de modelare sunt mai simpli decât în ​​Orcad sau Simulink (deși aceasta este modelarea matematică, nu simularea), astfel încât rezultatele modelării unor scheme nu sunt fiabile. Multisim este potrivit pentru studierea elementelor de bază ale electronicelor, modurilor de funcționare a tranzistorului, amplificatoare operaționale.

Nu subestimați capacitățile acestui program, cu o abordare adecvată, acesta poate afișa activitatea dispozitivelor complexe.

Vom lua în considerare modelele primelor două circuite, al treilea circuit este în esență similar cu cel de-al doilea, dar are o pierdere mai mică din cauza excluderii a două taste și a unei complexități mai mari - datorită necesității de a utiliza un transformator cu un robinet din mijlocul înfășurării secundare.

Circuitul cu jumătate de undă

Schema prin care simularea

Sursa de energie simulează o rețea gospodărească monofazată cu următoarele caracteristici:

• curent sinusoidal;

• Tensiune de 220 V rms;

• frecvență - 50 Hz.

Nu am găsit un ampermetru și un voltmetru în program, multimetrii joacă rolul lor. Mai târziu, acordați atenție abundenței setărilor lor și abilității de a alege tipul de curent.

În modelul dat, multimetrul XMM1 - măsoară curentul în sarcină, XMM3 - tensiunea la ieșirea redresorului, XMM2 - tensiunea la intrare, XSC2 - osciloscopul. Atenție la semnăturile elementelor - acest lucru va exclude întrebările atunci când analizați desenele, care vor fi mai jos. Apropo, Multisim prezintă modele de diode reale, am ales cel mai obișnuit 1n4007.

Forma de undă la intrare (canalul A) din câmpul cu rezultatele măsurării este afișată în roșu. În albastru - tensiune de ieșire (canalul B). Pentru primul canal, prețul de divizare vertical al unei celule este de 200 V / div, iar pentru cel de-al doilea canal este de 500. Am făcut acest lucru în mod deliberat pentru a separa vizual formele de undă altfel s-au contopit.Linia verticală galbenă din treimea stângă a ecranului este un contor, valoarea tensiunii într-un punct cu amplitudine maximă este descrisă sub ecranul negru.

Amplitudinea de intrare este de 311.128 V, așa cum s-a spus la începutul articolului, iar amplitudinea de ieșire este de 310.281, o diferență de aproape un volt se datorează unei căderi a diodei. În partea dreaptă a imaginii se găsesc rezultate de măsurare multimetru. Numele ferestrelor corespund denumirilor multimetrelor XMM din circuit.

Din diagrama vedem că la o încărcare este furnizată într-adevăr doar o jumătate de undă, iar valoarea medie a acesteia este de 98 V, care este cu două mai puțin decât curentul de intrare 220 V AC în semn.

În diagrama următoare, am adăugat un condensator de filtrare și un multimetru pentru a măsura curentul de încărcare, amintiți-vă semnăturile pentru a nu vă confunda când studiați desenele.

Rezistența din fața diodei este necesară pentru a măsura curentul de încărcare al condensatorului pentru a afla curentul - împărțiți numărul de volți cu 1 (rezistență). Cu toate acestea, în viitor vom observa că la curenții mari, o tensiune semnificativă scade în rezistență, care poate fi confuză în timpul măsurătorilor, în condiții reale - acest lucru ar provoca încălzirea rezistenței și pierderea eficienței.

Forma de undă arată tensiunea de intrare în portocaliu și curentul de intrare în roșu. Apropo, o schimbare de curent se observă în direcția avansului de tensiune.

Pe forma de undă a semnalului de ieșire, vedem cum funcționează condensator - tensiunea în sarcină în timp ce dioda este închisă și trece o jumătate de undă, scade lin, valoarea medie crește, iar ondularea scade. După, la o jumătate de undă pozitivă, condensatorul se reîncarcă și procesul se repetă.

Prin creșterea rezistenței la sarcină cu un factor de 10, am redus curentul, condensatorul nu a avut timp să se descarce, ondulările au devenit mult mai mici, așa că am demonstrat informațiile teoretice descrise în secțiunea anterioară despre ondulări și efectul curentului și capacității asupra lor. Pentru a arăta acest lucru, am putea modifica capacitatea condensatorului.

Semnalul de intrare s-a schimbat și el - curenții de încărcare au scăzut, iar forma lor a rămas aceeași.

Circuitul cu jumătate de undă

Să ne uităm la modul în care schemele de rectificare ale ambelor jumătăți de timp sunt în acțiune. Am instalat un pod cu diode la intrare.

Oscilogramele arată că ambele jumătăți de undă intră în sarcină, dar ondulările sunt foarte mari.

Jumătatea inferioară a jumătății de undă la curent (în roșu) a apărut pe forma de undă de intrare.

Reduceți ondularea prin instalarea unui condensator electrolitic de filtrare la intrare. În practică, este de dorit să se instaleze o ceramică în paralel cu aceasta, pentru a reduce componentele de înaltă frecvență ale sinusoidului (armonice).

Forma de undă de intrare arată că jumătatea inversă a fost adăugată atunci când condensatorul a fost încărcat (devine pozitiv după punte).

Forma de undă de ieșire arată că ondularea a devenit mai mică decât în ​​primul circuit cu un condensator de filtrare, rețineți că tensiunea tinde spre amplitudine, cu cât ondulația este mai mică, cu atât valoarea medie este mai aproape de amplitudine.

Dacă creștem curentul de încărcare de 20 de ori, reducând rezistența acestuia, vom vedea ondulări puternice la ieșire.

Și cu mai mulți curenți de sarcini la intrare, schimbarea curentului de fază este foarte vizibilă. Procesul de încărcare a condensatorului nu are loc liniar, ci exponențial, astfel încât vedem că tensiunea crește și scade curentul.

concluzie

Rectificatoarele sunt utilizate pe scară largă în toate domeniile electronice și electricitate în general. Circuitele redresoare sunt instalate peste tot - de la surse de alimentare și radiouri în miniatură, până la circuite de alimentare ale celor mai puternice motoare cu curent continuu din echipament pentru macara.

Simularea ajută perfect la înțelegerea proceselor care apar în circuite și la studierea modului în care se schimbă curenții odată cu modificarea parametrilor circuitului. Dezvoltarea tehnologiilor moderne permite studiul proceselor electrice complexe fără echipamente costisitoare, cum ar fi analizatoare spectrale, contoare de frecvență, osciloscopuri, înregistratoare și voltammetre ultra-precise. Evită erorile la proiectarea circuitelor înainte de asamblare.