Raddrizzatori monofase: circuiti tipici, forme d'onda e modellistica

Un raddrizzatore viene utilizzato in un circuito CA per convertirlo in CC. Il più comune è un raddrizzatore assemblato da diodi a semiconduttore. Allo stesso tempo, può essere assemblato da diodi discreti (separati) oppure può trovarsi in un alloggiamento (gruppo di diodi).

Diamo un'occhiata a cos'è un raddrizzatore, a cosa sono e alla fine dell'articolo eseguiremo la simulazione in un ambiente Multisim. La modellazione aiuta a consolidare la teoria in pratica, senza assemblaggio e componenti reali, visualizzare le forme di tensioni e correnti nel circuito.

Circuiti raddrizzatori AC

Le immagini sopra mostrano l'aspetto dei ponti a diodi. Ma questo non è l'unico schema di raddrizzamento. Per la tensione monofase, esistono tre schemi di rettifica comuni:

1,1 e mezzo periodo (1ph1n).

2. 2 e mezzo periodo (1ph2p).

3. Mezzo periodo con un punto medio (1ph2p).

Schema di rettifica a mezza onda

Il circuito più semplice è costituito da un solo diodo, che fornisce una tensione di ondulazione non stabilizzata costante all'uscita. I diodi sono collegati al circuito di potenza da un filo di fase o da uno dei terminali dell'avvolgimento del trasformatore, dalla seconda estremità al carico, dal secondo polo del carico al filo neutro o dal secondo terminale dell'avvolgimento del trasformatore.

Il valore effettivo della tensione nel carico è circa la metà dell'ampiezza. Il valore di ampiezza della tensione è l'ampiezza dell'onda sinusoidale della rete di alimentazione nel caso generale della corrente alternata

Uampl = Uaction * √2.

Per le reti elettriche in Russia, la tensione operativa di una rete monofase è di 220 V e l'ampiezza è di circa 311

In parole semplici: all'uscita otteniamo increspature della metà del periodo (20 ms per 50 Hz) da 0 V a 311 V. In media, la tensione è inferiore a 220 volt, viene utilizzata per alimentare i consumatori di qualità di tensione poco impegnativa o per accendere lampade a incandescenza in locali tecnici e locali tecnici. Ciò riduce il consumo di energia e aumenta la durata.

Digressione lirica:

La durata di tali lampade è colossale, sono venuta in officina un anno fa e la lampada è stata installata nel 2013, quindi brilla ancora per 12 ore al giorno. Ma tale luce non può essere utilizzata nei locali di lavoro a causa dell'elevata ondulazione. Gli oscillogrammi delle tensioni di ingresso e di uscita sono mostrati di seguito:

Il circuito a semionda interrompe solo una semionda, che è ciò che vedi nel diagramma sopra. A causa di questo alimentatore, otteniamo un grande fattore di ondulazione.

Vale la pena dire che se si modifica un po 'l'argomento e si passa dai raddrizzatori di rete, un circuito a semionda viene ampiamente utilizzato nei circuiti pulsati, rettificando la tensione trasformatore bobina impulsi secondario.

Su alimentatori a commutazione a bassa potenza, viene utilizzato anche questo circuito. Questo è esattamente il modo in cui è probabilmente realizzato il caricabatterie del tuo cellulare.

Circuito a semionda

Per ridurre il coefficiente di ondulazione e la capacità del filtro, viene utilizzato un altro schema: due semicicli. Si chiama - ponte a diodi. La tensione alternata viene fornita al punto di connessione dei poli opposti dei diodi e con segno costante con lo stesso nome. La tensione di uscita di un tale ponte è chiamata pulsante rettificata (o non stabilizzata). È questa inclusione di diodi che è più comune in tutte le aree dell'elettronica.

Nei diagrammi si vede che sia la seconda semionda della tensione alternata "ribalta" che entra nel carico. Nella prima metà del periodo, la corrente scorre attraverso i diodi VD1-VD4, nella seconda attraverso una coppia di VD2-VD3.

La tensione di uscita pulsa ad una frequenza di 100 Hz

Il secondo circuito viene utilizzato negli alimentatori con un punto medio, in realtà si tratta di due semionde combinate con l'avvolgimento secondario di un trasformatore con un punto medio. Gli anodi sono collegati alle estremità estreme dell'avvolgimento, i catodi sono collegati a un terminale di carico (positivo), il secondo terminale di carico è collegato al rubinetto dal centro dell'avvolgimento (punto medio).

Il grafico della tensione di uscita è simile e non lo considereremo. L'unica differenza significativa è che la corrente fluisce simultaneamente attraverso un diodo e non attraverso una coppia come in un ponte. Ciò riduce la perdita di energia sul ponte a diodi e il surriscaldamento dei semiconduttori.

Riduzione del fattore di ondulazione

Il fattore di ondulazione è un valore che riflette la quantità di increspatura della tensione di uscita. O viceversa - quanto stabile e uniforme è fornita la corrente al carico.

Per ridurre il coefficiente di ondulazione in parallelo con il carico (l'uscita del ponte a diodi), sono installati vari filtri. L'opzione più semplice è installare un condensatore. Affinché le increspature siano le più piccole possibili, la costante di tempo del filtro R del carico del filtro dovrebbe essere un ordine di grandezza (o piuttosto diversi) maggiore del periodo di ondulazione (nel nostro caso, 10 ms).

Per questo, o il carico deve avere un'alta resistenza e una bassa corrente, oppure la capacità del condensatore è abbastanza grande.

Il rapporto calcolato per la selezione di un condensatore è il seguente:

Kp è il fattore di ondulazione richiesto.

Kп = Uampl / Uavr

Per migliorare una serie di caratteristiche del filtro, è possibile utilizzare circuiti LC collegati secondo lo schema del filtro D o P, in alcuni casi altre configurazioni. Lo svantaggio dell'uso dei filtri LC nella pratica della radioamatoriale è la necessità di selezionare un filtro dell'aria. E quello giusto per il valore nominale (induttanza e corrente) spesso non è a portata di mano. Pertanto, è necessario caricarlo da soli o uscire dalla situazione attuale in un altro modo, abbandonando un alimentatore simile per capacità.

Simulazione di raddrizzatori monofase

Risolviamo queste informazioni in pratica e passiamo alla modellazione dei circuiti elettrici. Ho deciso che per creare un modello di uno schema così semplice, il pacchetto Multisim è perfetto: è il più facile da imparare da tutto ciò che conosco e richiede il minimo delle risorse.

Tuttavia, i suoi algoritmi di modellazione sono più semplici rispetto a Orcad o Simulink (sebbene si tratti di modellistica matematica, non di simulazione), quindi i risultati della modellizzazione di alcuni schemi non sono affidabili. Multisim è adatto per studiare le basi dell'elettronica, le modalità operative dei transistor, gli amplificatori operazionali.

Non sottovalutare le capacità di questo programma, con l'approccio corretto, può visualizzare il lavoro di dispositivi complessi.

Considereremo i modelli dei primi due circuiti, il terzo circuito è sostanzialmente simile al secondo, ma presenta meno perdite a causa dell'esclusione di due tasti e una maggiore complessità - dovuta alla necessità di utilizzare un trasformatore con un rubinetto dal centro dell'avvolgimento secondario.

Circuito a semionda

Lo schema con cui la simulazione

La fonte di alimentazione simula una rete domestica monofase con le seguenti caratteristiche:

• corrente sinusoidale;

• Tensione di 220 V rms;

• frequenza - 50 Hz.

Non ho trovato un amperometro e un voltmetro nel programma; i multimetri svolgono il loro ruolo. Successivamente, presta attenzione all'abbondanza delle loro impostazioni e alla possibilità di scegliere il tipo di corrente.

Nel modello dato, il multimetro XMM1 - misura la corrente nel carico, XMM3 - la tensione all'uscita del raddrizzatore, XMM2 - la tensione all'ingresso, XSC2 - l'oscilloscopio. Presta attenzione alle firme degli elementi: questo esclude le domande durante l'analisi dei disegni, che saranno di seguito. A proposito, Multisim presenta modelli di diodi reali, ho scelto il più comune 1n4007.

La forma d'onda all'ingresso (canale A) nel campo con i risultati della misurazione è mostrata in rosso. In blu - tensione di uscita (canale B). Per il primo canale, il prezzo di divisione verticale di una cella è di 200 V / div, e per il secondo canale è di 500. Ho deliberatamente fatto questo per separare visivamente le forme d'onda altrimenti si sono fuse.La linea verticale gialla nel terzo sinistro dello schermo è un metro, il valore della tensione in un punto con ampiezza massima è descritto sotto lo schermo nero.

L'ampiezza in ingresso è 311.128 V, come è stato detto all'inizio dell'articolo, e l'ampiezza in uscita è 310.281, una differenza di quasi un volt è dovuta a una caduta sul diodo. Sul lato destro dell'immagine sono visualizzati i risultati della misurazione del multimetro. I nomi delle finestre corrispondono ai nomi dei multimetri XMM nel circuito.

Dal diagramma vediamo che al carico è fornita solo una semionda di tensione e il suo valore medio è 98 V, che è più di due in meno della corrente di ingresso 220 V CA in segno.

Nel diagramma seguente, abbiamo aggiunto un condensatore di filtraggio e un multimetro per misurare la corrente di carico, ricordare le loro firme in modo da non confondersi quando si studiano i disegni.

Il resistore davanti al diodo è necessario per misurare la corrente di carica del condensatore per scoprire la corrente - dividere il numero di volt per 1 (resistenza). Tuttavia, in futuro noteremo che a correnti elevate una caduta di tensione significativa attraverso il resistore, che può essere fonte di confusione durante le misurazioni, in condizioni reali - questo causerebbe il riscaldamento del resistore e la perdita di efficienza.

La forma d'onda mostra la tensione di ingresso in arancione e la corrente di ingresso in rosso. A proposito, uno spostamento di corrente è evidente nella direzione dell'avanzamento della tensione.

Sulla forma d'onda del segnale di uscita, vediamo come funziona condensatore - la tensione nel carico mentre il diodo è chiuso e una semionda passa, diminuisce uniformemente, il suo valore medio aumenta e l'ondulazione diminuisce. Dopo, con una semionda positiva, il condensatore si ricarica e il processo si ripete.

Aumentando la resistenza di carico di un fattore 10, abbiamo ridotto la corrente, il condensatore non ha avuto il tempo di scaricarsi, le increspature sono diventate molto meno, quindi abbiamo dimostrato le informazioni teoriche descritte nella sezione precedente sulle increspature e l'effetto della corrente e della capacità su di esse. Per dimostrarlo, potremmo cambiare la capacità del condensatore.

Anche il segnale di input è cambiato: le correnti di carica sono diminuite e la loro forma è rimasta la stessa.

Circuito a semionda

Diamo un'occhiata a come appare in azione lo schema di rettifica di entrambi i semestri. Abbiamo installato un ponte a diodi all'ingresso.

Gli oscillogrammi mostrano che entrambe le mezze onde entrano nel carico, ma le increspature sono molto grandi.

La metà inferiore della semionda in corrispondenza della corrente (in rosso) è apparsa sulla forma d'onda di input.

Ridurre le ondulazioni installando un condensatore elettrolitico filtrante all'ingresso. In pratica, è auspicabile installarne uno in ceramica in parallelo con esso, al fine di ridurre i componenti ad alta frequenza della sinusoide (armoniche).

La forma d'onda di input mostra che la semionda inversa è stata aggiunta quando il condensatore è stato caricato (diventa positivo dopo il ponte).

La forma d'onda di uscita mostra che l'ondulazione è inferiore rispetto al primo circuito con un condensatore di filtraggio, si noti che la tensione tende all'ampiezza, minore è l'ondulazione, più vicino è il suo valore medio all'ampiezza.

Se aumentiamo la corrente di carico di 20 volte, riducendone la resistenza, vedremo forti increspature in uscita.

E correnti di carica più elevate all'ingresso, lo spostamento della corrente di fase è molto evidente. Il processo di ricarica del condensatore non avviene in modo lineare, ma esponenzialmente, quindi vediamo che la tensione aumenta e la corrente diminuisce.

conclusione

I raddrizzatori sono ampiamente utilizzati in tutti i settori dell'elettronica e dell'elettricità in generale. I circuiti del raddrizzatore sono installati ovunque - dagli alimentatori e radio in miniatura ai circuiti di alimentazione dei più potenti motori a corrente continua nelle apparecchiature per gru.

La simulazione aiuta perfettamente a comprendere i processi che si verificano nei circuiti e a studiare come cambiano le correnti al variare dei parametri del circuito. Lo sviluppo di moderne tecnologie consente lo studio di complessi processi elettrici senza costose apparecchiature come analizzatori spettrali, misuratori di frequenza, oscilloscopi, registratori e voltometri ultra precisi. Evita errori durante la progettazione di circuiti prima dell'assemblaggio.