Chỉnh lưu một pha: mạch điển hình, dạng sóng và mô hình hóa

Một bộ chỉnh lưu được sử dụng trong mạch điện xoay chiều để chuyển đổi nó thành DC. Phổ biến nhất là một bộ chỉnh lưu lắp ráp từ điốt bán dẫn. Đồng thời, nó có thể được lắp ráp từ các điốt (riêng biệt) hoặc có thể ở trong một vỏ (lắp ráp diode).

Chúng ta hãy xem bộ chỉnh lưu là gì, chúng là gì và ở cuối bài viết chúng ta sẽ tiến hành mô phỏng trong môi trường Multisim. Mô hình hóa giúp củng cố lý thuyết trong thực tế, không cần lắp ráp và các thành phần thực, xem các dạng điện áp và dòng điện trong mạch.

Mạch chỉnh lưu AC

Những hình ảnh trên cho thấy sự xuất hiện của cầu diode. Nhưng đây không phải là kế hoạch duỗi thẳng duy nhất. Đối với điện áp một pha, có ba sơ đồ chỉnh lưu phổ biến:

1.1 nửa thời gian (1ph1n).

2. 2 nửa thời gian (1ph2p).

3. 2 nửa thời gian với điểm giữa (1ph2p).

Sơ đồ chỉnh lưu nửa sóng

Mạch đơn giản nhất chỉ bao gồm một diode, cung cấp điện áp gợn không ổn định ở đầu ra. Các điốt được kết nối với mạch điện bằng một dây pha hoặc bởi một trong các đầu nối của cuộn dây máy biến áp, đầu thứ hai của tải, cực tải thứ hai đến dây trung tính hoặc đầu cuối thứ hai của cuộn dây máy biến áp.

Giá trị hiệu dụng của điện áp trong tải xấp xỉ một nửa biên độ. Giá trị biên độ của điện áp là biên độ của sóng hình sin của mạng cung cấp trong trường hợp chung cho dòng điện xoay chiều

Uampl = Uaction * 2.

Đối với mạng điện ở Nga, điện áp hoạt động của mạng một pha là 220 V và biên độ xấp xỉ 311

Nói một cách đơn giản - ở đầu ra, chúng ta có các gợn sóng dài nửa chu kỳ (20 ms cho 50 Hz) từ 0 V đến 311 V. Trung bình, điện áp nhỏ hơn 220 volt, điều này được sử dụng để cung cấp năng lượng cho người tiêu dùng không ảnh hưởng đến chất lượng điện áp hoặc bật đèn sợi đốt trong phòng tiện ích và phòng tiện ích. Điều này làm giảm tiêu thụ năng lượng và tăng tuổi thọ.

Hồi ức trữ tình:

Độ bền của đèn như vậy là khổng lồ, tôi đã đến hội thảo một năm trước, và đèn được lắp đặt trở lại vào năm 2013, vì vậy nó vẫn tỏa sáng trong 12 giờ mỗi ngày. Nhưng ánh sáng như vậy không thể được sử dụng trong phòng làm việc, do gợn sóng cao. Dao động của điện áp đầu vào và đầu ra được hiển thị dưới đây:

Mạch nửa sóng chỉ cắt một nửa sóng, đó là những gì bạn thấy trong sơ đồ trên. Vì nguồn cung cấp năng lượng này, chúng tôi có được một hệ số gợn lớn.

Điều đáng nói là nếu bạn thay đổi chủ đề một chút và chuyển từ bộ chỉnh lưu mạng, thì mạch nửa sóng được sử dụng rộng rãi trong mạch xung, điện áp chỉnh lưu biến áp cuộn dây thứ cấp.

Trên các nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi năng lượng thấp, mạch này cũng được sử dụng. Đây chính xác là cách mà bộ sạc điện thoại di động của bạn rất có thể được thực hiện.

Mạch nửa sóng

Để giảm hệ số gợn và dung lượng bộ lọc, một sơ đồ khác được sử dụng - hai nửa chu kỳ. Nó được gọi là - cầu diode. Điện áp xoay chiều được cung cấp cho điểm kết nối của các cực đối diện của điốt và không đổi trong cùng một tên. Điện áp đầu ra của một cây cầu như vậy được gọi là xung chỉnh lưu (hoặc không ổn định). Đó là sự bao gồm các điốt phổ biến nhất trong tất cả các lĩnh vực điện tử.

Trên các sơ đồ, bạn thấy rằng cả hai nửa sóng thứ hai của điện áp xoay chiều, có thể bật ra và chạy vào tải. Trong nửa đầu của giai đoạn, dòng điện chạy qua điốt VD1 - VD4, trong lần thứ hai qua một cặp VD2 - VD3.

Điện áp đầu ra dao động ở tần số 100 Hz

Mạch thứ hai được sử dụng trong các bộ nguồn có điểm giữa, trên thực tế đây là hai nửa sóng kết hợp với cuộn dây thứ cấp của máy biến áp có điểm giữa. Cực dương được kết nối với các đầu cực của cuộn dây, cực âm được kết nối với một cực tải (dương), cực tải thứ hai được nối với vòi từ giữa cuộn dây (điểm giữa).

Biểu đồ điện áp đầu ra là tương tự và chúng tôi sẽ không xem xét nó. Sự khác biệt đáng kể duy nhất là dòng điện chạy đồng thời qua một diode chứ không phải qua một cặp như trong một cây cầu. Điều này làm giảm tổn thất năng lượng trên cầu diode và sự gia nhiệt quá mức của chất bán dẫn.

Giảm yếu tố gợn

Hệ số gợn là một giá trị phản ánh mức gợn điện áp đầu ra. Hoặc ngược lại - dòng điện được cung cấp ổn định và đồng đều như thế nào cho tải.

Để giảm hệ số gợn song song với tải (đầu ra của cầu diode), nhiều bộ lọc được cài đặt. Tùy chọn dễ nhất là cài đặt một tụ điện. Để các gợn sóng càng nhỏ càng tốt, hằng số thời gian lọc R của tải bộ lọc phải là một thứ tự cường độ (hay đúng hơn là vài) so với thời gian gợn sóng (trong trường hợp của chúng tôi, 10 ms).

Đối với điều này, hoặc tải phải có điện trở cao và dòng điện thấp, hoặc điện dung của tụ điện đủ lớn.

Tỷ lệ tính toán để chọn một tụ điện như sau:

Kp là hệ số gợn cần thiết.

Kп = Uampl / Uavr

Để cải thiện một số đặc tính của bộ lọc, các mạch LC được kết nối theo sơ đồ bộ lọc D hoặc P có thể được sử dụng, trong một số trường hợp, các cấu hình khác. Nhược điểm của việc sử dụng bộ lọc LC trong thực hành radio nghiệp dư là cần phải chọn bộ lọc. Và cái đúng cho giá trị danh nghĩa (độ tự cảm và dòng điện) thường không có trong tay. Do đó, bạn phải tự mình điều khiển nó hoặc thoát khỏi tình trạng hiện tại theo một cách khác - bằng cách bỏ ra khỏi một đơn vị cung cấp điện có công suất tương tự.

Mô phỏng bộ chỉnh lưu một pha

Chúng ta hãy sửa thông tin này trong thực tế và bắt đầu mô hình hóa các mạch điện. Tôi quyết định rằng để tạo ra một mô hình của sơ đồ đơn giản như vậy, gói Multisim là hoàn hảo - nó dễ học nhất từ ​​tất cả những gì tôi biết và yêu cầu ít tài nguyên nhất.

Tuy nhiên, thuật toán mô hình hóa của ông đơn giản hơn trong Orcad hoặc Simulink (mặc dù đây là mô hình toán học, không phải mô phỏng), vì vậy kết quả mô hình hóa một số sơ đồ không đáng tin cậy. Multisim phù hợp để nghiên cứu cơ bản về điện tử, chế độ hoạt động của bóng bán dẫn, bộ khuếch đại hoạt động.

Đừng đánh giá thấp khả năng của chương trình này, với cách tiếp cận phù hợp, nó có thể hiển thị công việc của các thiết bị phức tạp.

Chúng tôi sẽ xem xét các mô hình của hai mạch đầu tiên, mạch thứ ba về cơ bản tương tự như mạch thứ hai, nhưng ít tổn thất hơn do loại trừ hai phím và độ phức tạp lớn hơn - do phải sử dụng máy biến áp với một vòi từ giữa cuộn dây thứ cấp.

Mạch nửa sóng

Các sơ đồ mà mô phỏng

Nguồn điện mô phỏng mạng gia đình một pha với các đặc điểm sau:

• dòng điện hình sin;

• Điện áp 220 V rms;

• tần số - 50 Hz.

Tôi không tìm thấy một ampe kế và vôn kế trong chương trình, vạn năng đóng vai trò của họ. Sau đó, hãy chú ý đến sự phong phú của cài đặt của họ và khả năng chọn loại dòng điện.

Trong mô hình đã cho, đồng hồ vạn năng XMM1 - đo dòng điện trong tải, XMM3 - điện áp ở đầu ra của bộ chỉnh lưu, XMM2 - điện áp ở đầu vào, XSC2 - máy hiện sóng. Hãy chú ý đến chữ ký của các yếu tố - điều này sẽ loại trừ các câu hỏi khi phân tích các bản vẽ, sẽ được bên dưới. Nhân tiện, Multisim trình bày các mô hình của điốt thực, tôi đã chọn 1n4007 phổ biến nhất.

Dạng sóng ở đầu vào (kênh A) trong trường có kết quả đo được hiển thị màu đỏ. Trong màu xanh - điện áp đầu ra (kênh B). Đối với kênh đầu tiên, giá phân chia dọc của một ô là 200 V / div và đối với kênh thứ hai là 500. Tôi đã cố tình làm điều này để tách các dạng sóng một cách trực quan nếu không chúng hợp nhất.Đường thẳng đứng màu vàng ở một phần ba bên trái của màn hình là một mét, giá trị điện áp tại một điểm có biên độ cực đại được mô tả bên dưới màn hình đen.

Biên độ đầu vào là 311.128 V, như đã nói ở đầu bài viết, và biên độ đầu ra là 310.281, sự khác biệt của gần một volt là do sự sụt giảm của diode. Ở phía bên phải của hình ảnh là kết quả đo vạn năng. Tên của các cửa sổ tương ứng với tên của vạn năng XMM trong mạch.

Từ sơ đồ, chúng ta thấy rằng thực sự chỉ có một nửa sóng điện áp được cung cấp cho tải và giá trị trung bình của nó là 98 V, nhỏ hơn hai V so với dòng điện đầu vào 220 V AC hiện tại.

Trong sơ đồ sau, chúng tôi đã thêm một tụ lọc và một vạn năng để đo dòng tải, ghi nhớ chữ ký của chúng để không bị nhầm lẫn khi nghiên cứu các bản vẽ.

Điện trở ở phía trước của diode là cần thiết để đo dòng điện tích của tụ điện để tìm ra dòng điện - chia số volt cho 1 (điện trở). Tuy nhiên, trong tương lai, chúng ta sẽ nhận thấy rằng ở dòng điện cao, điện áp giảm đáng kể trên điện trở, có thể gây nhầm lẫn trong các phép đo, trong điều kiện thực tế - điều này sẽ khiến điện trở nóng lên và mất hiệu suất.

Dạng sóng cho thấy điện áp đầu vào màu cam và dòng điện đầu vào màu đỏ. Nhân tiện, một sự thay đổi hiện tại là đáng chú ý theo hướng tăng điện áp.

Trên dạng sóng của tín hiệu đầu ra, chúng ta thấy nó hoạt động như thế nào tụ điện - điện áp trong tải trong khi diode đóng và một nửa sóng đi qua, giảm trơn tru, giá trị trung bình của nó tăng và gợn giảm. Sau đó, ở nửa sóng dương, tụ điện sạc lại và quá trình lặp lại.

Bằng cách tăng khả năng chịu tải lên 10 lần, chúng tôi đã giảm dòng điện, tụ điện không có thời gian xả, các gợn sóng trở nên ít hơn nhiều, vì vậy chúng tôi đã chứng minh thông tin lý thuyết được mô tả trong phần trước về gợn sóng và ảnh hưởng của dòng điện và công suất đối với chúng. Để hiển thị điều này, chúng ta có thể thay đổi điện dung của tụ điện.

Tín hiệu đầu vào cũng thay đổi - dòng điện tích giảm và hình dạng của chúng vẫn giữ nguyên.

Mạch nửa sóng

Chúng ta hãy xem xét sơ đồ chỉnh lưu của cả hai nửa thời gian hoạt động như thế nào. Chúng tôi đã cài đặt một cầu diode ở lối vào.

Các dao động cho thấy cả hai nửa sóng đi vào tải, nhưng các gợn sóng rất lớn.

Nửa dưới của nửa sóng ở hiện tại (màu đỏ) xuất hiện trên dạng sóng đầu vào.

Giảm gợn bằng cách cài đặt một tụ điện điện phân lọc ở đầu vào. Trong thực tế, mong muốn cài đặt một cái gốm song song với nó, để giảm các thành phần tần số cao của hình sin (sóng hài).

Dạng sóng đầu vào cho thấy nửa sóng nghịch đảo được thêm vào khi tụ được tích điện (nó trở nên dương sau khi cầu).

Dạng sóng đầu ra cho thấy gợn sóng trở nên nhỏ hơn trong mạch đầu tiên có tụ lọc, lưu ý rằng điện áp có xu hướng biên độ, gợn càng ít, giá trị trung bình của nó càng gần biên độ.

Nếu chúng ta tăng dòng tải lên 20 lần, giảm điện trở của nó, chúng ta sẽ thấy những gợn sóng mạnh ở đầu ra.

Và dòng điện lớn hơn ở đầu vào, sự dịch chuyển dòng pha là rất đáng chú ý. Quá trình sạc tụ điện không xảy ra tuyến tính, nhưng theo cấp số nhân, vì vậy chúng tôi thấy rằng điện áp tăng và dòng điện giảm.

Kết luận

Các bộ chỉnh lưu được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực điện tử và điện nói chung. Mạch chỉnh lưu được lắp đặt ở mọi nơi - từ nguồn cung cấp năng lượng thu nhỏ và radio cho đến mạch điện của động cơ DC mạnh nhất trong thiết bị cầu trục.

Mô phỏng hoàn hảo giúp hiểu các quá trình xảy ra trong các mạch và nghiên cứu cách dòng điện thay đổi khi các tham số mạch thay đổi. Sự phát triển của các công nghệ hiện đại cho phép nghiên cứu các quy trình điện phức tạp mà không cần các thiết bị đắt tiền như máy phân tích quang phổ, máy đo tần số, máy hiện sóng, máy ghi âm và vôn kế siêu chính xác. Nó tránh các lỗi khi thiết kế mạch trước khi lắp ráp.