Однофазні випрямлячі: типові схеми, осцилограми і моделювання

Випрямляч використовується в колі змінного струму для його перетворення в постійний. Найбільш поширеним є випрямляч, зібраний з напівпровідникових діодів. При цьому він, може бути зібрати з дискретних (окремих) діодів, або бути в одному корпусі (діодний збірка).

Давайте розглянемо, що таке випрямляч, якими вони бувають, а в кінці статті проведемо імітаційне моделювання в середовищі Multisim. Моделювання допомагає закріпити теорію на практиці, без складання і реальних компонентів переглянути форми напруг і струмів в ланцюзі.

Схеми випрямлячів змінної напруги

На зображеннях вище представлений зовнішній вигляд діодних мостів. Але це не єдина схема випрямлення. Для однофазного напруги існує три поширених схеми випрямлення:

1. 1-полупериодного (1ф1п).

2. 2-полупериодного (1ф2п).

3. 2-полупериодного з середньою точкою (1ф2п).

Однополуперіодна схема випрямлення

Найпростіша схема складається всього лише з одного діода, дає на виході постійне нестабілізована пульсує напруга. Діоди підключається в ланцюг харчування на фазний провід, або на один з висновків обмотки трансформатора, другим кінцем до навантаження, другий полюс навантаження – до нульового проводу або другого висновку обмотки трансформатора.

Чинне значення напруга в навантаженні дорівнює приблизно половині амплітудного. Амплітудне значення напруги це розмах синусоїди мережі живлення в загальному випадку для змінного струму

Uампл = Uдейств * √2.

Для електромереж України діючі напруження однофазної мережі – 220 В, а амплітудне приблизно 311

Простими словами – на виході ми отримуємо пульсації завдовжки в підлогу періоду (20 мс для 50 Гц) від 0 В, до 311 В. В середньому напруга виходить менше ніж 220 вольт, це використовують для харчування невимогливих до якості напруги споживачів або для включення ламп розжарювання в підсобних, господарських приміщеннях і під’їздах. Так знижується споживана потужність і збільшується термін служби.

Ліричний відступ:

Довговічність таких світильників колосальна, я прийшов в цех рік тому, а лампу встановили ще в 2013 році, так вона до сих пір світить по 12 годин щодоби. Але таке світло не можна використовувати в робочих приміщеннях, через високі пульсацій. Осціллограми вхідних і вихідних напруг зображені нижче:

Однополуперіодна схема відсікає лише одну півхвилю, що ви і бачите на епюрі вище. Через такого харчування ми отримуємо великий коефіцієнт пульсацій.

Варто сказати, що якщо трохи змінити тему і перейти від мережевих випрямлячів, то однонапівперіодна схема широко використовується в імпульсної схемотехніки, випрямляючи напруга вторинної обмотки імпульсного трансформатора.

На малопотужних імпульсних джерелах живлення теж використовують цю схему. Саме так, швидше за все, зроблено ваше зарядний пристрій для мобільного телефону.

двонапівперіодна схема

Для зниження коефіцієнта пульсацій і ємності фільтра використовують іншу схему – двухполуперіодним. Називається вона – діодний міст. Змінна напруга надходить на точку з’єднання різнойменних полюсів діодів, а постійне по знаку з однойменних. Вихідна напруга такого моста називають випрямленою пульсуючим (або не стабілізованою). Саме таке включення діодів найбільш поширене в усіх сферах електроніки.

На епюрах ви бачимо, що обидві друга полуволна змінної напруги «перевертається» і надходить в навантаження. В першу половину періоду струм протікає через діоди VD1-VD4, в другу через пару VD2-VD3.

Напруга на виході пульсує з частотою в 100 Гц

Друга схема використовується в джерелах живлення з середньою точкою, по суті це дві однополуперіодні об’єднані з вторинною обмоткою трансформатора з середньою точкою. Аноди приєднуються до крайніх кінцях обмотки, катоди до одного висновок навантаження (плюсової), другий висновок навантаження приєднується до відведення від середини обмотки (середній точці).

Графік вихідної напруги аналогічний і ми його розглядати не будемо. Істотна відмінність лише в тому, що струм одночасно протікає через один діод, а не через пару як в мості. Це знижує втрати енергії на діодному мосту і зайвий нагрів напівпровідників.

Зменшення коефіцієнта пульсацій

Коефіцієнт пульсацій – це величина, яка відображає наскільки сильно пульсує вихідна напруга. Або навпаки – наскільки стабільно і рівномірно ток подається в навантаження.

Щоб знизити коефіцієнт пульсацій паралельно навантаженні (виходу діодного моста) встановлюють всілякі фільтри. Найпростіший варіант – встановити конденсатор. Щоб пульсації були якомога менше, постійна часу Rнагрузкі Cфільтра повинна бути на порядок (а краще декілька) більше періоду пульсацій (в нашому випадку 10 мс).

Для цього або навантаження повинна мати високий опір і малий струм, або ємність конденсатора досить великий.

Розрахункові Учень одного для підбору конденсатора виглядає так:

Кп – це необхідний коефіцієта пульсацій.

Kп = Uампл / Uсрвипр

Для поліпшення ряду характеристик фільтра можуть застосовуватися LC ланцюга, з’єднані за схемою Г або П-фільтра, в окремих випадках і інші конфігурації. Недоліком використання LC фільтрів в радіоаматорського практики є необхідність підбору фільтруючого дроселя. А потрібного за номіналом (індуктивності і току) найчастіше немає під рукою. Тому доводиться або мотати самому, або виходити з ситуації, що склалася в інший спосіб – випаявши з подібного по потужності блоку живлення.

Моделювання однофазних випрямлячів

Давайте закріпимо цю інформацію на практиці і займемося моделюванням електроланок. Я вирішив, що для створення моделі такої простої схеми відмінно підійде пакет Multisim – він найбільш простий в освоєнні з усіх мені відомих і найменше вимагає ресур.

Однак алгоритми моделювання у нього простіше ніж в Orcad або Simulink (хоча це і математичне моделювання, а не імітаційне), тому результати моделювання деяких схем не є достовірними. Multisim підходить для вивчення основ електроніки, режимів роботи транзистора, операційних підсилювачів.

Не варто недооцінювати можливостей цієї програми, при належному підході вона здатна відобразити роботу складних пристроїв.

Ми розглянемо моделі перших двох схем, третя схема, по суті аналогічна другий, але має менші втрати за рахунок виключення двох ключів і велику складність – через необхідність застосування трансформатора з відведенням від середини вторинної обмотки.

Однополуперіодна схема

Схема, за якою відбувається моделювання

  • синусоїдальний струм;

  • 220 в чинне напруга;

  • частота – 50 гц.

У програмі я не знайшов амперметра і вольтметра, їх роль виконують мультиметри. Пізніше зверніть увагу на велику кількість їх налаштування, і можливість вибору роду струму.

У наведеній моделі мультиметр XMM1 – вимірює струм в навантаженні, XMM3 – напруга на виході випрямляча, XMM2 – напруга на вході, XSC2 – осцилограф. Звертайте увагу на підписи елементів – це виключить питання при аналізі малюнків, які будуть нижче. До речі в Multisim представлені моделі реальних діодів, я вибрав найпоширеніший 1n4007.

Червоним кольором зображена осцилограма на вході (канал А) в поле з результатами вимірів. Синім кольором – вихідна напруга (канал В). У першого каналу ціна ділення однієї клітини по вертикалі – 200 В / справ, а у другого каналу – 500. Я навмисне так зробив, щоб розділити осцилограми візуально інакше вони зливалися. Жовта вертикальна лінія в лівій третини екрану – це вимірювач, величина напружень в точці з максимальною амплітудою описана нижче чорного екрану.

Амплітуда входу – 311.128 В, як і було сказано на початку статті, а на виході – 310.281 різниця майже в один вольт обумовлена ​​падінням на діоді. У правій частині зображення результати вимірювань мультиметров. Назви вікон співпадають з назвами мультиметров XMM в схемі.

З епюри ми бачимо, що дійсно в навантаження надходить тільки одна полуволна напруги, а середнє його значення – 98 В, що більше ніж вдвічі менше вхідного чинного 220 В змінного по знаку.

На таку схему ми додали фільтруючий конденсатор і один мультиметр для вимірювання струму навантаження, запам’ятайте їхні підписи, щоб не заплутатися при вивченні малюнків.

Резистор перед діодом потрібен для вимірювання струму заряду конденсатор, щоб дізнатися струм – розділіть число вольт на 1 (опір). Однак в подальшому ми помітимо, що при великих токах на резисторі падає значне напруження, яке може збити з пантелику при вимірах, в реальних умовах – це викликало б нагрів резистора і втрату ККД.

На осциллограмме зображено помаранчевим вхідна напруга, а червоним вхідний струм. До речі тут помітний зсув струму в бік випередження напруги. 

На осциллограмме вихідного сигналу ми бачимо як працює конденсатор – напруга в навантаженні в той час, коли діод закритий і проходить одна полуволна, спадає плавно, середнє його значення виростає, а пульсації знижуються. Після, на позитивній напівхвилі, конденсатор заряджається і процес повторюється.

Збільшивши опір навантаження в 10 разів, ми знизили струм, конденсатор не встигає розряджатися, пульсації стали набагато менше, таким чином ми довели теоретичні відомості описані в попередньому розділі про пульсаціях і вплив на них струму і ємності. Для того щоб показати це ми могли змінити ємність конденсатора.

Вхідний сигнал теж змінився – струми заряду знизилися, а їх форма залишилася колишньою.

двонапівперіодна схема

Давайте розглянемо, як виглядає в дії схема випрямлення обох напівперіодів. Ми встановили на вхід діодний міст.

На осцилограмах видно, що в навантаження надходять обидві напівхвилі, але пульсації дуже великі.

На вхідних осциллограмме з’явилася нижня частина напівхвилі у струму (червоним кольором).

Знизимо пульсації встановивши фільтруючий електролітичного конденсатора по входу. На практиці бажано паралельно йому встановити ще і керамічний, щоб знизити високочастотні складові синусоїди (гармоніки).

На вхідних осциллограмме видно, що додалася зворотна полуволна при заряді конденсатора (вона стає позитивною після моста).

На вихідний осциллограмме видно, що пульсації стали менше ніж в першій схемі з фільтруючим конденсатором, зверніть увагу – напруга прагне до амплітудному, чим менше пульсацій – тим ближче його середнє значення до амплітуди.

Якщо збільшити струм навантаження в 20 разів, знизивши її опір, ми побачимо сильні пульсації на виході.

І більші струми зарядів на вході, дуже помітно зміщення струму фази. Процес заряду конденсатора відбувається не лінійно, а експоненціально, тому ми бачимо, що напруга підвищується, а струм падає.

висновок

Випрямлячі широко використовуються у всіх сферах електроніки та електриці в цілому. Випрямні ланцюга встановлюються всюди – від мініатюрних блоків живлення і радіоприймачах до ланцюгів харчування найпотужніших двигунів постійного струму в крановому обладнанні.

Моделювання відмінно допомагає зрозуміти процеси протікають в схемах і вивчити, як змінюються струми від зміни параметрів ланцюга. Розвиток сучасних технологій дозволяє вивчати складні електричні процеси без наявності дорогого обладнання типу спектральних аналізаторів, частотомеров, осцилографів, самописців і надточних вольт-амперметрів. Воно дозволяє уникнути помилок при проектуванні схем перед складанням.

Ссылка на основную публикацию