Průvodce pro začátečníky k návrhu plnovlnného usměrňovače s H-můstkem | Blog | CircuitMaker

Přeměna energie je nedílnou součástí moderního života a možná nejdůležitější pro praktické účely v elektronice je přeměna střídavého proudu na stejnosměrný. Usměrňovače jsou základní obvody používané k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný proud a mohou spadat do jedné z následujících kategorií:

• Půlvlnný usměrňovač
• Celovlnný středový usměrňovač
• Můstkový usměrňovač

Funkčnost těchto usměrňovačů je stejná, tzn. převádějící střídavý proud na stejnosměrný, ale každý používá jinou konfiguraci vstupu a mají různé výstupy. Středový odbočný usměrňovač a můstkový usměrňovač jsou oba celovlnné usměrňovače (ten se někdy nazývá “plný můstkový usměrňovač”) a poskytují vyšší účinnost přeměny energie než půlvlnný usměrňovač. Středové odbočovací usměrňovače a můstkové usměrňovače slouží téměř ke stejnému účelu, ale středový odbočkový transformátor používaný v prvním z nich je drahý, takže můstkový usměrňovač je obvykle preferován, pokud nejsou středové odbočky na transformátoru vyžadovány z nějakého zvláštního důvodu. V tomto tutoriálu se podíváme na návrh a simulaci celovlnného usměrňovače H-můstku pro jednofázovou a třífázovou konverzi napájení. Oba lze použít v průmyslovém prostředí, včetně malých řídicích modulů, které moje společnost vyvinula pro zákaznické projekty. Jsou všudypřítomné v jiných elektronických zařízeních a vytváření simulací pomocí nich je důležité pro pochopení toho, jak mohou napájet následné obvody s vysokou účinností.

Typy obvodů usměrňovače s úplným můstkem

Základní obvod plného můstkového usměrňovače je znázorněn níže. Tento obvod typicky používá čtyři diody (D1-D4) zapojené do párů v sérii a pouze dvě diody jsou předpjaté během každé půlcyklu střídavého vstupního signálu. Čtyři diody v tomto usměrňovači jsou zapojeny do uzavřeného obvodu, podobně jako můstek, který dává sestavě jméno. To se někdy nazývá runaway usměrňovač, jehož důvod bude vysvětlen později v tomto článku.

Jednofázové vs třífázové usměrňovače

Někdy můžete vidět výše uvedený usměrňovač nakreslený v konfiguraci H-můstku, která je zobrazena níže. Tato konfigurace je stejná jako výše. Níže je také ukázán třífázový usměrňovač pro srovnání, který jednoduše používá 6 diod místo 4, přičemž 2 diody v sérii slouží k řízení toku proudu pro každou fázi v třífázovém střídavém zapojení. Rozdíly mezi těmito dvěma typy usměrňovačů by měly být zřejmé z jejich průběhů; třífázový usměrňovač poskytuje mnohem menší zvlnění, ale při frekvenci 1,5krát vyšší než u jednofázového usměrňovače.

Protože konvenční diody jsou jednosměrné a neřízené, proud může protékat pouze jedním směrem a neexistuje způsob, jak ovládat propustné napětí. Z tohoto důvodu obvykle nazýváme tyto usměrňovače “neřízené” a musíme správně vybrat diody použité v těchto obvodech, abychom zajistili, že usměrňovač bude v zamýšleném provozním prostředí plně předpětí. Pokud se připojujete k napájení střídavým proudem, budete mít dostatek prostoru, abyste zajistili, že diody v tomto obvodu budou vždy směrovány dopředu, což je důležitější, pokud nejprve sestoupíte a poté použijete nápravu. Z tohoto důvodu se často používá transformátor k počátečnímu snížení na střední úroveň (nominální úroveň 12V nebo 24V AC), poté signál prochází usměrňovačem. Po vyhlazení na nějakou stejnosměrnou hodnotu se aplikuje koncový řídicí stupeň pro nastavení výstupního napětí na požadovanou hodnotu.

Řízené usměrňovače

Tento typ celomůstkového usměrňovače využívá řízené polovodičové součástky jako MOSFET, IGBT, SCR atd. namísto běžných diod. SCR se běžně používá, protože jeho napětí lze snadno změnit přímým přivedením externího stejnosměrného napětí. Tímto způsobem může systém upravit výstupní výkon pro různá napětí podle potřeby. Níže je uveden jednofázový řízený můstkový usměrňovač, který jednoduše zahrnuje nahrazení diod SCR.

Jako běžný jednofázový usměrňovač může být tento řízený usměrňovač znázorněn jako H-můstek; výsledná funkčnost je naprosto stejná. Můžeme také rozšířit obvod na třífázový vstup pomocí 6 SCR (2 na fázi).

Výběr diod

Jak jsem uvedl výše, mělo by být jasné, že proud zátěží protéká v obou typech usměrňovačů pouze jedním směrem, takže v každém okamžiku jsou předpětí pouze dvě diody. Během každého půlcyklu dochází k poklesu napětí na každé diodě v dopředně předpjaté sekci. U křemíkových diod by celkový úbytek napětí měl být 2*0.7 = 1.4V, protože dvě diody budou mít předpětí. Pokud pracujete s nízkoúrovňovým transformátorem AC, můžete použít germaniové nebo schottkyho diody, protože mají nižší pokles napětí, když jsou směrovány dopředu.

Výstupní signály

Typicky se po nastavení usměrňovače vytvoří stejnosměrné napětí přidáním vyhlazovacího kondenzátoru přes výstupy. Vyhlazovací kondenzátor zapojený paralelně se zátěží určuje úroveň zvlnění superponovaného na stejnosměrný výstupní proud. V okamžiku, kdy se vstupní napětí během cyklu začne snižovat, výstupní kondenzátor se začne vybíjet paralelně s rezistorem a vytvoří tak RC obvod. Kondenzátor se mezi půl cykly periodicky nabíjí a vybíjí s určitou časovou konstantou RC. Před úplným vybitím kondenzátoru začíná nabíjecí cyklus, takže kondenzátor není nikdy zcela vybit, pokud není odpojeno napájení.

Zde můžete použít časovou konstantu RC k určení této rychlosti vybíjení zátěží. Pokud například použijeme zatěžovací odpor 10 kΩ s kondenzátorem 50 μF, pak časová konstanta RC bude 500 ms. To znamená, že pokud chceme snížit zvlnění na výstupním stejnosměrném napětí, musíme zvýšit hodnotu vyhlazovacího kondenzátoru nebo zatěžovacího odporu (nebo obojího). Přestože výstupní signál není čistý stejnosměrný proud, zvýšení zátěžového odporu a dostatečně vysoké vyhlazení kondenzátoru způsobí, že výstupní zvlnění se stane tak malým, že může být obtížné si jej všimnout. Konečným stupněm regulace bude obvykle LDO (pro nízké napětí) nebo spínací regulátor (pro vysoké napětí).

Ať už navrhujete jednoduchou desku usměrňovače H-můstku s plnou vlnou nebo potřebujete navrhnout složitý napájecí systém, použijte nástroje pro návrh PCB od CircuitMaker k přípravě obvodů a rozložení desky plošných spojů. Všichni uživatelé CircuitMakeru mohou vytvářet schémata, rozvržení desek plošných spojů a výrobní dokumentaci potřebnou k převedení návrhu od nápadu až po výrobu. Uživatelé mají také přístup k osobnímu pracovnímu prostoru na platformě Altium 365™, kde mohou nahrávat a ukládat projektová data v cloudu a snadno prohlížet projekty prostřednictvím webového prohlížeče na zabezpečené platformě.