Retificadores monofásicos: circuitos, formas de onda e modelagem típicos

Um retificador é usado em um circuito CA para convertê-lo em CC. O mais comum é um retificador montado de diodos semicondutores. Ao mesmo tempo, pode ser montado a partir de diodos discretos (separados) ou pode estar em um compartimento (conjunto de diodos).

Vejamos o que é um retificador, o que são e, no final do artigo, realizaremos a simulação em um ambiente Multisim. A modelagem ajuda a consolidar a teoria na prática, sem montagem e componentes reais, visualiza as formas de tensões e correntes no circuito.

Circuitos retificadores AC

As imagens acima mostram a aparência de pontes de diodos. Mas este não é o único esquema de endireitamento. Para tensão monofásica, existem três esquemas de retificação comuns:

1,1 meio período (1ph1n).

2. período e meio (1ph2p).

3. 2 meio período com um ponto médio (1ph2p).

Esquema de retificação de meia onda

O circuito mais simples consiste em apenas um diodo, que fornece uma tensão de ondulação constante e não estabilizada na saída. Os diodos são conectados ao circuito de potência por um fio de fase ou por um dos terminais do enrolamento do transformador, a segunda extremidade da carga, o segundo pólo de carga no fio neutro ou o segundo terminal do enrolamento do transformador.

O valor efetivo da tensão na carga é aproximadamente metade da amplitude. O valor de amplitude da tensão é a amplitude da onda senoidal da rede de suprimento no caso geral de corrente alternada

Uampl = Uaction * √2.

Para redes elétricas na Rússia, a voltagem operacional de uma rede monofásica é de 220 V e a amplitude é de aproximadamente 311

Em palavras simples - na saída temos ondulações de meio período (20 ms por 50 Hz) de 0 V a 311 V. Em média, a tensão é inferior a 220 volts, usada para alimentar consumidores que não exigem qualidade da tensão ou para acender lâmpadas incandescentes em despensas e despensas. Isso reduz o consumo de energia e aumenta a vida útil.

Digressão lírica:

A durabilidade dessas lâmpadas é colossal. Eu vim para a oficina há um ano, e a lâmpada foi instalada em 2013, por isso ainda brilha por 12 horas todos os dias. Mas essa luz não pode ser usada nas salas de trabalho devido à alta ondulação. Os oscilogramas das tensões de entrada e saída são mostrados abaixo:

O circuito de meia onda corta apenas uma meia onda, que é o que você vê no diagrama acima. Devido a essa nutrição, obtemos um grande coeficiente de ondulação.

Vale a pena dizer que, se você mudar um pouco o tópico e mudar de retificador de rede, um circuito de meia onda é amplamente utilizado em circuitos pulsados, retificando a tensão transformador de bobina de pulso secundário.

Nas fontes de alimentação de comutação de baixa potência, esse circuito também é usado. É exatamente assim que o seu carregador de celular provavelmente é fabricado.

Circuito de meia onda

Para reduzir o coeficiente de ondulação e a capacidade do filtro, outro esquema é usado - dois meio ciclos. É chamado - ponte de diodo. A tensão alternada é fornecida ao ponto de conexão dos pólos opostos dos diodos e sinal constante com o mesmo nome. A tensão de saída dessa ponte é chamada de pulsação retificada (ou não estabilizada). É essa inclusão de diodos que é mais comum em todas as áreas da eletrônica.

Nos diagramas, você vê que a segunda meia-onda da tensão alternada “vira” e entra na carga. Na primeira metade do período, a corrente flui através dos diodos VD1-VD4, na segunda através de um par de VD2-VD3.

A tensão de saída pulsa a uma frequência de 100 Hz

O segundo circuito é usado em fontes de alimentação com um ponto médio; na verdade, são duas meia-onda combinadas com o enrolamento secundário de um transformador com um ponto médio. Os ânodos são conectados às extremidades extremas do enrolamento, os catodos são conectados a um terminal de carga (positivo), o segundo terminal de carga é conectado à torneira a partir do meio do enrolamento (ponto médio).

O gráfico da tensão de saída é semelhante e não o consideraremos. A única diferença significativa é que a corrente flui simultaneamente através de um diodo, e não através de um par como em uma ponte. Isso reduz a perda de energia na ponte de diodos e o excesso de aquecimento dos semicondutores.

Redução do fator de ondulação

O fator de ondulação é um valor que reflete o quanto a tensão de saída ondula. Ou vice-versa - quão estável e uniforme a corrente é fornecida à carga.

Para reduzir o coeficiente de ondulação em paralelo com a carga (a saída da ponte de diodos), vários filtros são instalados. A opção mais fácil é instalar um capacitor. Para que as ondulações sejam tão pequenas quanto possível, a constante de tempo de filtro R da carga do filtro deve ser uma ordem de magnitude (ou melhor, várias) maior que o período de ondulação (no nosso caso, 10 ms).

Para isso, a carga deve ter alta resistência e baixa corrente, ou a capacitância do capacitor é grande o suficiente.

A proporção calculada para a seleção de um capacitor é a seguinte:

Kp é o fator de ondulação necessário.

Kп = Uampl / Uavr

Para melhorar várias características do filtro, circuitos LC conectados de acordo com o esquema de filtro D ou P podem ser usados, em alguns casos outras configurações. A desvantagem do uso de filtros LC na prática de rádio amador é a necessidade de selecionar um afogador de filtro. E o caminho certo para o valor nominal (indutância e corrente) geralmente não está disponível. Portanto, você deve encerrar o processo sozinho ou sair da situação atual de outra maneira - saindo de uma fonte de alimentação com capacidade semelhante.

Simulação de retificadores monofásicos

Vamos corrigir essas informações na prática e começar a modelar circuitos elétricos. Decidi que, para criar um modelo de um esquema tão simples, o pacote Multisim é perfeito - é o mais fácil de aprender com tudo o que sei e requer menos recursos.

No entanto, seus algoritmos de modelagem são mais simples do que no Orcad ou Simulink (embora seja modelagem matemática, não simulação), portanto, os resultados da modelagem de alguns esquemas não são confiáveis. O Multisim é adequado para o estudo dos conceitos básicos de eletrônica, modos de operação de transistor, amplificadores operacionais.

Não subestime as capacidades deste programa, com a abordagem adequada, ele pode exibir o trabalho de dispositivos complexos.

Consideraremos os modelos dos dois primeiros circuitos, o terceiro circuito é essencialmente semelhante ao segundo, mas tem menos perdas devido à exclusão de duas chaves e maior complexidade - devido à necessidade de usar um transformador com um toque no meio do enrolamento secundário.

Circuito de meia onda

O esquema pelo qual a simulação

A fonte de energia simula uma rede doméstica monofásica com as seguintes características:

• corrente sinusoidal;

• Tensão de 220 V rms;

• frequência - 50 Hz.

Não encontrei um amperímetro e um voltímetro no programa, os multímetros desempenham seu papel. Mais tarde, preste atenção à abundância de suas configurações e à capacidade de escolher o tipo de corrente.

No modelo fornecido, o multímetro XMM1 - mede a corrente na carga, XMM3 - a tensão na saída do retificador, XMM2 - a tensão na entrada, XSC2 - o osciloscópio. Preste atenção às assinaturas dos elementos - isso excluirá perguntas ao analisar os desenhos, que serão mostrados abaixo. A propósito, o Multisim apresenta modelos de diodos reais, escolhi o 1n4007 mais comum.

A forma de onda na entrada (canal A) no campo com os resultados da medição é mostrada em vermelho. Em azul - tensão de saída (canal B). Para o primeiro canal, o preço da divisão vertical de uma célula é 200 V / div, e para o segundo canal é 500. Fiz isso deliberadamente para separar visualmente as formas de onda, caso contrário elas se fundiram.A linha vertical amarela no terço esquerdo da tela é um metro, o valor da tensão em um ponto com amplitude máxima é descrito abaixo da tela preta.

A amplitude de entrada é de 311,128 V, como foi dito no início do artigo, e a amplitude de saída é de 310,281, uma diferença de quase um volt é devido a uma queda no diodo. No lado direito da imagem estão os resultados da medição do multímetro. Os nomes das janelas correspondem aos nomes dos multímetros XMM no circuito.

A partir do diagrama, vemos que realmente apenas uma meia onda de tensão é fornecida à carga e seu valor médio é 98 V, o que é mais do que dois a menos do que a corrente de entrada de 220 V CA no sinal.

No diagrama a seguir, adicionamos um capacitor de filtragem e um multímetro para medir a corrente de carga, lembre-se de suas assinaturas para não ficar confuso ao estudar os desenhos.

O resistor na frente do diodo é necessário para medir a corrente de carga do capacitor para descobrir a corrente - divida o número de volts por 1 (resistência). No entanto, no futuro, notaremos que, em altas correntes, uma tensão significativa cai através do resistor, o que pode ser confuso durante as medições, em condições reais - isso faria o resistor esquentar e perder a eficiência.

A forma de onda mostra a tensão de entrada em laranja e a corrente de entrada em vermelho. A propósito, uma mudança de corrente é perceptível na direção do avanço da tensão.

Na forma de onda do sinal de saída, vemos como ele funciona capacitor - a tensão na carga enquanto o diodo está fechado e uma meia onda passa, diminui suavemente, seu valor médio aumenta e a ondulação diminui. Depois, em meia onda positiva, o capacitor recarrega e o processo se repete.

Ao aumentar a resistência de carga em um fator de 10, reduzimos a corrente, o capacitor não teve tempo para descarregar, as ondulações ficaram muito menores, por isso provamos as informações teóricas descritas na seção anterior sobre ondulações e o efeito da corrente e da capacidade nelas. Para mostrar isso, poderíamos alterar a capacitância do capacitor.

O sinal de entrada também mudou - as correntes de carga diminuíram e seu formato permaneceu o mesmo.

Circuito de meia onda

Vejamos como o esquema de retificação dos dois semestres parece em ação. Instalamos uma ponte de diodos na entrada.

Os oscilogramas mostram que as duas meias ondas entram na carga, mas as ondulações são muito grandes.

A metade inferior da meia onda na corrente (em vermelho) apareceu na forma de onda de entrada.

Reduza a ondulação instalando um capacitor eletrolítico de filtragem na entrada. Na prática, é desejável instalar uma cerâmica em paralelo, para reduzir os componentes de alta frequência do sinusóide (harmônicos).

A forma de onda de entrada mostra que a meia onda inversa foi adicionada quando o capacitor foi carregado (torna-se positivo após a ponte).

A forma de onda de saída mostra que a ondulação se tornou menor do que no primeiro circuito com um capacitor de filtragem, observe que a tensão tende à amplitude, quanto menor a ondulação, mais próximo seu valor médio da amplitude.

Se aumentarmos a corrente de carga em 20 vezes, reduzindo sua resistência, veremos fortes ondulações na saída.

E maiores correntes de carga na entrada, a mudança de corrente de fase é muito perceptível. O processo de carregamento do capacitor não ocorre linearmente, mas exponencialmente, de modo que vemos que a tensão aumenta e a corrente cai.

Conclusão

Os retificadores são amplamente utilizados em todas as áreas de eletrônicos e eletricidade em geral. Os circuitos retificadores estão instalados em todos os lugares - desde fontes de alimentação e rádios em miniatura até circuitos de potência dos motores DC mais poderosos em equipamentos de guindastes.

A simulação ajuda perfeitamente a entender os processos que ocorrem nos circuitos e a estudar como as correntes mudam conforme os parâmetros do circuito. O desenvolvimento de tecnologias modernas permite o estudo de processos elétricos complexos, sem equipamentos caros, como analisadores espectrais, medidores de frequência, osciloscópios, gravadores e voltímetros ultra-precisos. Evita erros ao projetar circuitos antes da montagem.