Reductors monofàsics: circuits típics, formes d’ona i modelatge

S'utilitza un rectificador en un circuit de CA per convertir-lo en corrent continu. El més comú és un rectificador muntat a partir de díodes semiconductors. Al mateix temps, es pot muntar a partir de diodes discrets (separats), o bé pot estar en un sol cargol (conjunt de díodes).

Mirem què és un rectificador, què són, i al final de l'article realitzarem la simulació en un entorn Multisim. El modelat ajuda a consolidar la teoria a la pràctica, sense muntatge i components reals, visualitzant les formes de tensions i corrents en el circuit.

Circuits rectificadors de CA

Les imatges de dalt mostren l’aparició de ponts de díodes. Però aquest no és l’únic esquema de redreçament. Per a la tensió monofàsica, hi ha tres esquemes de rectificació comuns:

1,1-semestre (1ph1n).

2. 2-semestre (1ph2p).

3. 2-mig període amb un punt mig (1ph2p).

Esquema de rectificació de mitja onada

El circuit més senzill consisteix en un sol díode, que proporciona una tensió d’ondulació desestabilitzada constant a la sortida. Els díodes estan connectats al circuit d’alimentació mitjançant un fil de fase, o per un dels terminals de l’enrotllament del transformador, el segon extrem de la càrrega, el segon pol de càrrega al fil neutre o el segon terminal del bobinat del transformador.

El valor efectiu de la tensió en la càrrega és aproximadament la meitat de l'amplitud. El valor d’amplitud de la tensió és l’amplitud de l’ona sinusoïdal de la xarxa d’alimentació en el cas general per a corrent altern

Uampl = Uaction * √2.

Per a les xarxes elèctriques a Rússia, la tensió de funcionament d'una xarxa monofàsica és de 220 V i l'amplitud és d'aproximadament 311

En paraules simples: a la sortida obtenim ondulacions mig període llarg (20 ms per 50 Hz) de 0 V a 311 V. De mitjana, la tensió és inferior a 220 volts, això s’utilitza per alimentar els consumidors que no estan exigents a la qualitat de la tensió o per encendre llums incandescents. en safareigs i safareigs. Això redueix el consum d’energia i augmenta la vida útil.

Digressió lírica:

La durabilitat d’aquestes làmpades és colossal, vaig venir al taller fa un any i la làmpada es va instal·lar el 2013, de manera que encara brilla durant 12 hores cada dia. Però aquesta llum no es pot utilitzar a les sales de treball a causa de la gran ondulació. A continuació, es mostren els oscil·logrames dels voltatges d'entrada i sortida:

El circuit de mitja ona només tanca una mitja ona, que és el que veieu al diagrama anterior. A causa d'una nutrició d'aquest tipus, obtenim un gran coeficient de ondulació.

Val a dir que si canvieu una mica el tema i canvieu de rectificadors de xarxa, un circuit d’ona de mitjana ona s’utilitza àmpliament en circuits amb pols, rectificant la tensió transformador de bobina de pols secundari.

En fonts d'alimentació de commutació de baix consum, també s'utilitza aquest circuit. Això és exactament com és probable que es faci el carregador de telèfon mòbil.

Circuit de mitja ona

Per reduir el coeficient d’ondulació i la capacitat de filtre, s’utilitza un altre esquema: dos-mig cicle. Es diu - pont de díodes. La tensió alternativa es subministra al punt de connexió dels pols oposats dels díodes i és constant en el signe del mateix nom. La tensió de sortida d’aquest pont s’anomena pulsació rectificada (o no estabilitzada). És aquesta inclusió de díodes la més habitual en totes les àrees de l'electrònica.

Als esquemes, veieu que la segona meitat d'ona de la tensió alterna "flip" i entra a la càrrega. A la primera meitat del període, el corrent flueix a través dels díodes VD1-VD4, a la segona mitjançant un parell de VD2-VD3.

La tensió de sortida pulsa a una freqüència de 100 Hz

El segon circuit s’utilitza en les fonts d’alimentació amb un punt mitjà, de fet es tracta de dues mitges ones combinades amb l’enrotllament secundari d’un transformador amb un punt mig. Els ànodes es connecten als extrems extrems del bobinat, els càtodes es connecten a un terminal de càrrega (positiu), el segon terminal de càrrega es connecta a l'aixeta des del centre del bobinat (punt mig).

El gràfic de tensió de sortida és similar i no ho considerarem. L’única diferència significativa és que el corrent flueix simultàniament a través d’un díode, i no a través d’un parell com en un pont. D’aquesta manera es redueix la pèrdua d’energia al pont del díode i l’excés de calefacció de semiconductors.

Reducció del factor d’ondulament

El factor de trencament és un valor que reflecteix la quantitat de tensió de sortida que s’enfila. O viceversa: quina estabilitat i uniformitat es subministra el corrent a la càrrega.

Per reduir el coeficient d’ondulació en paral·lel a la càrrega (la sortida del pont del díode), s’instal·len diversos filtres. L’opció més senzilla és instal·lar un condensador. Per tal que les ondulacions siguin el més petites possibles, la constant de temps de filtre R de la càrrega del filtre hauria de ser un ordre de magnitud (o més aviat diverses) més gran que el període d’ ondulacions (en el nostre cas, a 10 ms).

Per això, o bé la càrrega ha de tenir una alta resistència i un corrent baix, o bé, la capacitat del condensador és prou gran.

La relació calculada per seleccionar un condensador és el següent:

Kp és el factor d'ondulació necessari.

Kп = Uampl / Uavr

Per millorar diverses característiques del filtre, es poden utilitzar circuits LC connectats segons l’esquema del filtre D o P, en alguns casos altres configuracions. El desavantatge d’utilitzar filtres LC en la pràctica de ràdio aficionada és la necessitat de seleccionar una sufoca del filtre. I el que és correcte pel valor nominal (inductància i corrent) sovint no està al vostre abast. Per tant, heu d’enfocar-vos vosaltres mateixos, o bé sortir de la situació actual d’una altra manera: deixeu fora d’una unitat d’alimentació similar a la capacitat.

Simulació de rectificadors monofàsics

Fixem aquesta informació a la pràctica i baixem a modelar circuits elèctrics. Vaig decidir que per crear un model d’un esquema tan senzill, el paquet Multisim és perfecte: és el més fàcil d’aprendre de tot el que sé i que necessita els menys recursos.

Tot i això, els seus algorismes de modelatge són més senzills que a Orcad o Simulink (encara que es tracta de modelatge matemàtic, no simulació), per tant, els resultats de la modelació d'alguns esquemes no són fiables. Multisim és adequat per estudiar els fonaments bàsics de l'electrònica, els modes de funcionament del transistor i els amplificadors operatius.

No subestimeu les capacitats d’aquest programa, amb l’enfocament adequat, pot mostrar el treball de dispositius complexos.

Considerem els models dels dos primers circuits, el tercer circuit és essencialment similar al segon, però té menys pèrdues a causa de l’exclusió de dues claus i una major complexitat - a causa de la necessitat d’utilitzar un transformador amb una aixeta del centre del bobinatge secundari.

Circuit de mitja ona

L’esquema pel qual la simulació

L'alimentació simula una xarxa domèstica monofàsica amb les següents característiques:

• corrent sinusoïdal;

• Tensió de 220 V rms;

• freqüència - 50 Hz.

No he trobat cap amperímetre i voltímetre al programa, els multímetres tenen el seu paper. Més endavant, presteu atenció a l’abundància de la configuració i a la capacitat de triar el tipus de corrent.

En el model donat, el multímetre XMM1 - mesura el corrent en la càrrega, XMM3 - la tensió a la sortida del rectificador, XMM2 - la tensió a l'entrada, XSC2 - l'osciloscopi. Pareu atenció a les signatures dels elements: això exclourà les preguntes a l’hora d’analitzar els dibuixos, que quedaran a continuació. Per cert, Multisim presenta models de díodes reals, he escollit el més comú 1n4007.

La forma d’ona a l’entrada (canal A) del camp amb els resultats de la mesura es mostra en vermell. Tensió de sortida blava (canal B). Per al primer canal, el preu de divisió vertical d’una cel·la és de 200 V / div, i per al segon canal, 500. Ho vaig fer deliberadament per separar visualment les formes d’ona en cas contrari que es fusionessin.La línia vertical groga del terç esquerre de la pantalla és un mesurador, el valor de la tensió en un punt amb amplitud màxima es descriu a sota de la pantalla negra.

L’amplitud d’entrada és de 311.128 V, com es deia al principi de l’article i l’amplitud de sortida és de 310.281, una diferència de gairebé un volt es deu a una caiguda del díode. A la part dreta de la imatge hi ha resultats de mesurament multímetre. Els noms de les finestres corresponen als noms dels multímetres XMM del circuit.

Al diagrama veiem que realment només es subministra a la càrrega una mitja onada de tensió i el seu valor mitjà és de 98 V, que és més que dos menys que el corrent d’entrada de 220 V CA en senyal.

En el diagrama següent, hem afegit un condensador de filtratge i un multímetre per mesurar el corrent de càrrega, recordem les seves signatures per no confondre’ns quan estudiem els dibuixos.

La resistència situada davant del díode és necessària per mesurar el corrent de càrrega del condensador per esbrinar el corrent: dividir el nombre de volts per 1 (resistència). Tanmateix, en el futur notarem que a corrents elevats una tensió important cau a través de la resistència, cosa que pot ser confusa durant les mesures, en condicions reals, cosa que provocaria que la resistència s’escalfés i perdés l’eficiència.

La forma d’ona mostra la tensió d’entrada en taronja i el corrent d’entrada en vermell. Per cert, un canvi de corrent es nota en la direcció d'avanç de la tensió.

A la forma d’ona del senyal de sortida, veiem com funciona condensador - la tensió a la càrrega mentre el díode es tanca i passa una mitja ona, disminueix suaument, el seu valor mitjà augmenta i la ondulació disminueix. Després, a mitja ona positiva, el condensador es recarrega i el procés es repeteix.

En augmentar la resistència de càrrega en un factor de 10, vam reduir el corrent, el condensador no va tenir temps de descàrrega, les ondulacions es van fer molt menys, de manera que vam demostrar la informació teòrica descrita a l’apartat anterior sobre les ondulacions i l’efecte de la corrent i la capacitat sobre elles. Per demostrar-ho, podríem canviar la capacitat del condensador.

El senyal d’entrada també va canviar: els corrents de càrrega van disminuir i la seva forma es va mantenir la mateixa.

Circuit de mitja ona

Analitzem el funcionament de l'esquema de rectificació dels dos períodes. Vam instal·lar un pont de díodes a l’entrada.

Els oscilogrames mostren que les dues mitges ones entren a la càrrega, però les ondulacions són molt grans.

La meitat inferior de la mitja ona a la corrent (en vermell) apareixia a la forma d'ona d'entrada.

Reduïu les ondulacions mitjançant la instal·lació d’un condensador electrolític de filtratge a l’entrada. A la pràctica, és convenient instal·lar-ne un de ceràmic en paral·lel, per tal de reduir els components d’alta freqüència del sinusoide (harmònics).

La forma d'ona d'entrada mostra que la mitja onada inversa es va afegir quan el condensador es va carregar (es torna positiu després del pont).

La forma d'ona de sortida mostra que la ondada es va fer menor que en el primer circuit amb un condensador de filtratge, cal tenir en compte que la tensió tendeix a l'amplitud, com menys ondulació, més proper és el seu valor mitjà a l'amplitud.

Si augmentem la càrrega de corrent 20 vegades, reduint la seva resistència, veurem fortes ondulacions a la sortida.

I amb majors corrents de càrrega a l’entrada, el canvi de corrent de fase és molt notable. El procés de càrrega del condensador no es produeix linealment, sinó de forma exponencial, de manera que veiem que la tensió augmenta i el corrent baixa.

Conclusió

Els rectificadors s’utilitzen àmpliament en tots els àmbits de l’electrònica i l’electricitat en general. Els circuits rectificadors s’instal·len a tot arreu, des de fonts d’alimentació en miniatura i ràdios fins a circuits d’alimentació dels motors de corrent continu més potents dels equips de grua.

La simulació ajuda perfectament a comprendre els processos que es produeixen en els circuits i a estudiar com canvien els corrents a mesura que canvien els paràmetres del circuit. El desenvolupament de tecnologies modernes permet l’estudi de processos elèctrics complexos sense equips costosos com ara analitzadors espectrals, mesuradors de freqüència, osciloscopis, gravadors i voltamímetres ultra-precisos. Evita errors al dissenyar circuits abans del muntatge.