Przewodnik dla początkujących po projektowaniu pełnookresowego prostownika H-mostek

Konwersja mocy jest niezbędną częścią nowoczesnego życia, a najważniejsza dla celów praktycznych w elektronice jest konwersja AC na DC. Prostowniki to podstawowe obwody używane do przekształcania AC na DC i mogą one należeć do jednej z następujących kategorii:

• Prostownik jednopołówkowy
• Prostownik dwupołówkowy z odczepem środkowym
• Prostownik mostkowy

Funkcjonalność tych prostowników jest taka sama, tj. konwersja AC na DC, ale każdy z nich używa innej konfiguracji wejściowej i mają różne wyjścia. Prostownik z odczepem środkowym i prostownik mostkowy to oba prostowniki dwupołówkowe (ten ostatni czasami nazywany jest "pełnym prostownikiem mostkowym"), i zapewniają wyższą efektywność konwersji mocy niż prostownik jednopołówkowy. Prostowniki z odczepem środkowym i prostowniki mostkowe służą prawie temu samemu celowi, ale transformator z odczepem środkowym używany w pierwszym z nich jest drogi, więc zwykle preferowany jest prostownik mostkowy, chyba że odczepy środkowe na transformatorze są potrzebne z jakiegoś szczególnego powodu.

W tym przewodniku przyjrzymy się projektowi i symulacji pełnego prostownika H-mostkowego dla konwersji mocy jednofazowej i trójfazowej. Oba mogą być używane w środowisku przemysłowym, w tym w małych modułach sterujących, które moja firma opracowała dla projektów klientów. Są wszechobecne w innych urządzeniach elektronicznych, a budowanie symulacji z ich użyciem jest ważne, aby zobaczyć, jak mogą dostarczać energię do układów znajdujących się dalej z wysoką efektywnością.

Rodzaje obwodów pełnych prostowników mostkowych

Podstawowy obwód pełnego prostownika mostkowego przedstawiono poniżej. Ten obwód zwykle używa czterech diod (D1-D4) ułożonych w pary szeregowe i tylko dwie diody są spolaryzowane w kierunku przewodzenia podczas każdego półokresu wejścia AC. Cztery diody w tym prostowniku są połączone w zamkniętą pętlę, strukturę przypominającą most, co dało nazwę temu układowi. Czasami nazywa się to prostownikiem niekontrolowanym, co zostanie pokazane później w tym artykule.

Prostowniki jednofazowe a trójfazowe

Czasami zobaczysz powyższy prostownik przedstawiony w konfiguracji H-mostkowej, która jest pokazana poniżej. Ta konfiguracja jest taka sama jak powyższa. Poniżej przedstawiono również prostownik trójfazowy do porównania, który po prostu używa 6 diod zamiast 4, z 2 diodami szeregowymi używanymi do kontrolowania przepływu prądu dla każdej fazy w trójfazowym połączeniu AC. Różnice między tymi dwoma rodzajami prostowników powinny być oczywiste na podstawie ich przebiegów; prostownik trójfazowy zapewnia znacznie mniejsze tętnienia, ale przy częstotliwości 1,5 raza większej niż prostownik jednofazowy.

Standardowe diody są jednokierunkowe i niekontrolowane, prąd może płynąć tylko w jednym kierunku, i nie ma możliwości kontrolowania napięcia przewodzenia. Z tego powodu zwykle nazywamy te prostowniki „niekontrolowanymi” i musimy odpowiednio dobierać diody używane w tych obwodach, aby zapewnić, że prostownik będzie w pełni spolaryzowany w przewodzeniu w zamierzonym środowisku pracy. Jeśli łączysz się z siecią AC, masz dużo marginesu, aby zapewnić, że diody w tym obwodzie będą zawsze spolaryzowane w przewodzeniu, jest to bardziej istotne, jeśli najpierw obniżysz poziom do niskiego, a następnie zastosujesz prostowanie. Z tego powodu często stosuje się transformator, aby najpierw obniżyć do umiarkowanego poziomu (12 V lub 24 V nominalnego poziomu AC), a następnie sygnał jest przepuszczany przez prostownik. Po wygładzeniu do pewnej wartości DC, stosuje się końcowy etap regulacji, aby ustawić napięcie wyjściowe na wymaganą wartość.

Prostowniki sterowane

Ten typ pełnego prostownika mostkowego wykorzystuje kontrolowane półprzewodnikowe komponenty takie jak MOSFETy, IGBT, SCRy itp. zamiast konwencjonalnych diod. SCR jest powszechnie używany, ponieważ jego napięcie można łatwo zmieniać przez bezpośrednie zastosowanie zewnętrznego napięcia DC. W związku z tym, system może dostosować moc wyjściową do różnych napięć w razie potrzeby. Poniższy obraz pokazuje jednofazowy prostownik sterowany, który polega po prostu na zastąpieniu diod SCRami.

Tak jak w przypadku zwykłego prostownika jednofazowego, ten sterowany prostownik można przedstawić jako mostek H; funkcjonalność wynikowa jest dokładnie taka sama. Możemy również rozszerzyć obwód do wejścia trójfazowego, używając 6 SCRów (2 na każdą fazę).

Wybór diod

Jak wspomniałem powyżej, powinno być jasne, że prąd przez obciążenie płynie w jednym kierunku w obu typach prostowników, więc tylko dwie diody są spolaryzowane w przewodzeniu w dowolnym momencie. W każdym półokresie przez każdą diodę w spolaryzowanej części mostka występuje spadek napięcia. Dla diod krzemowych całkowity spadek napięcia musi wynosić 2*0.7 = 1.4 V, ponieważ dwie diody będą spolaryzowane w przewodzeniu. Jeśli pracujesz z niskopoziomowym AC sprzężonym transformatorowo, wtedy możesz chcieć użyć diod germanowych lub Schottky'ego, ponieważ mają one niższy spadek napięcia przy polaryzacji w przewodzeniu.

Formy fal wyjściowych

Zazwyczaj, po skonfigurowaniu prostownika, napięcie stałe jest ustawiane przez dodanie kondensatora wygładzającego równolegle do wyjść. Kondensator wygładzający równolegle z obciążeniem określi poziom tętnień nakładających się na wyjściową formę fali prądu stałego. W momencie, gdy napięcie wejściowe zaczyna spadać podczas cyklu, kondensator na wyjściu zaczyna się rozładowywać równolegle z rezystorem, tworząc w ten sposób obwód RC. Kondensator wielokrotnie ładuje się i rozładowuje z określoną stałą czasową RC między półokresami. Zanim kondensator zdąży się całkowicie rozładować, zaczyna się cykl ładowania, więc kondensator nigdy nie jest całkowicie rozładowany, chyba że zasilanie zostanie odcięte.

Tutaj możesz użyć stałej czasowej RC, aby określić tę szybkość rozładowywania przez obciążenie. Na przykład, jeśli użyjemy oporności obciążenia 10 kOhm z kondensatorem 50 uF, wtedy stała czasowa RC wynosi 500 ms. Oznacza to, że jeśli chcemy zmniejszyć tętnienia na wyjściowym napięciu stałym, musimy zwiększyć wartość kondensatora wygładzającego lub oporność obciążenia (lub oba). Chociaż wyjściowa forma fali nie jest czysto stała, zwiększenie oporności obciążenia i podniesienie wartości kondensatora wygładzającego na tyle wysoko sprawia, że tętnienia na wyjściu są tak małe, że mogą nie być łatwo zauważalne. Ostateczny etap regulacji zwykle będzie LDO (dla niskiego napięcia) lub przetwornica impulsowa (dla wysokiego napięcia).

Niezależnie od tego, czy projektujesz prostą płytę prostownika pełnookresowego typu H-bridge, czy musisz zaprojektować złożony system zasilania, użyj narzędzi do projektowania PCB w CircuitMaker, aby przygotować schematy i układ płytki PCB. Wszyscy użytkownicy CircuitMaker mogą tworzyć schematy, układy PCB i dokumentację produkcyjną potrzebną do przekształcenia pomysłu w produkt. Użytkownicy mają również dostęp do osobistej przestrzeni roboczej na platformie Altium 365™, gdzie mogą przesyłać i przechowywać dane projektowe w chmurze oraz łatwo przeglądać projekty za pomocą przeglądarki internetowej na bezpiecznej platformie.

Zacznij używać CircuitMaker już dziś i czekaj na nowy CircuitMaker Pro od Altium.