기타 파형

이상하게 보일 수 있지만 모든 반복되는 비정현파 파형은 실제로 서로 다른 진폭과 주파수를 더한 일련의 사인파 파형과 동일합니다. 구형파는 매우 일반적이고 잘 알려진 경우이지만 유일한 경우는 아닙니다.

트랜지스터 및 실리콘 제어 정류기(SCR)와 같은 전자 전력 제어 장치 ) 종종 전원 공급 장치에서 "깨끗한"(순수한) 사인파 AC의 기본적으로 잘린 버전인 전압 및 전류 파형을 생성합니다.

이러한 기기에는 갑자기 변경하는 기능이 있습니다. 제어 신호 전압 또는 전류의 적용에 대한 저항으로 인해 거의 즉시 "켜짐" 또는 "꺼짐"이 발생하여 회로에 전원을 공급하는 소스 전압 파형과 거의 유사한 전류 파형을 생성합니다.

이러한 전류 파형은 회로 임피던스를 통한 비정현파 전류에 의해 생성된 전압 강하로 인해 다른 회로 구성요소에 대한 전압 파형의 변화를 생성합니다.

비선형 구성요소

AC 전압 또는 전류의 정상적인 사인파 모양을 왜곡하는 회로 구성요소를 비선형이라고 합니다. . SCR과 같은 비선형 구성 요소는 많은 열을 발산하지 않고 많은 양의 전력을 조절할 수 있는 능력으로 인해 전력 전자 분야에서 널리 사용됩니다.

이는 에너지 효율성 측면에서 이점이 있지만, 이로 인해 발생하는 파형 왜곡으로 인해 문제가 발생할 수 있습니다.

이러한 비정현파 파형은 실제 모양에 관계없이 더 높은(고조파) 주파수의 일련의 사인파 파형과 동일합니다.

회로 설계자가 고려하지 않을 경우 전자 스위칭 구성 요소에서 생성된 이러한 고조파 파형은 비정상적인 회로 동작을 유발할 수 있습니다.

전력 산업에서는 컴퓨터 및 고효율 조명과 같은 "스위칭" 부하에서 비롯되는 AC 전원 라인 전압의 사인파 형태 왜곡으로 인한 변압기 및 모터의 과열을 관찰하는 것이 점점 보편화되고 있습니다.

이것은 이론적인 연습이 아닙니다. 매우 현실적이며 잠재적으로 매우 골칫거리입니다.

이 섹션에서는 좀 더 일반적인 파형을 조사하고 SPICE를 사용한 푸리에 분석을 통해 고조파 성분을 보여드리겠습니다.

AC 전원 시스템에서 고조파가 생성되는 매우 일반적인 방법 중 하나는 AC가 DC로 변환되거나 "정류"되는 경우입니다. 이것은 일반적으로 다이오드라는 구성 요소로 수행됩니다. , 전류가 한 방향으로만 흐르도록 합니다.

반파 정류

AC/DC 정류의 가장 간단한 유형은 반파입니다. , 여기서 단일 다이오드는 (시간 경과에 따른) AC 전류의 절반이 부하를 통과하는 것을 차단합니다. (아래 그림)

반파 정류기

<전>반파 정류기 v1 1 0 죄(0 15 60 0 0) 로드 2 0 10k d1 1 2 모드1 .모델 모드1 d .트란 .5m 17m .plot 트란 v(1,0) v(2,0) .4 60 v(1,0) v(2,0) .끝

반파 정류기 파형. V(1)+0.4는 명확성을 위해 사인파 입력 V(1)을 위로 이동합니다. 이것은 시뮬레이션의 일부가 아닙니다.

먼저 SPICE가 순수한 사인파 전압인 소스 파형을 분석하는 방법을 살펴보겠습니다. (아래 그림)

<사전>과도 응답 v(1)의 4가지 구성 요소 DC 구성 요소 =8.016E-04 고조파 푸리에 정규화 위상 정규화 없음(hz) 구성 요소 구성 요소(deg) 위상(deg) 1 6.000E+01 1.482E+01 1.000000 -0.005 0.000 2 1.200E+02 2.492E-03 0.000168 -104.347 -104.342 3 1.800E+02 6.465E-04 0.000044 -86.663 -86.658 4 2.400E+02 1.132E-03 0.000076 -61.324 -61.319 5 3.000E+02 1.185E-03 0.000080 -70.091 -70.086 6 3.600E+02 1.092E-03 0.000074 -63.607 -63.602 7 4.200E+02 1.220E-03 0.000082 -56.288 -56.283 8 4.800E+02 1.354E-03 0.000091 -54.669 -54.664 9 5.400E+02 1.467E-03 0.000099 -52.660 -52.655

사인파 입력의 푸리에 분석

위의 표에서 이 정현파 파형의 극도로 작은 고조파 및 DC 성분을 주목하십시오. 그러나 위의 고조파 플롯에 표시하기에는 너무 작습니다.

이상적으로는 기본 주파수(완벽한 사인파)만 표시되지만 SPICE에는 무한 기간의 파형을 샘플링할 수 있는 사치가 없기 때문에 푸리에 분석 수치는 완벽하지 않습니다. 다음으로 이것을 부하 저항에 걸친 반파 "정류된" 전압의 푸리에 분석과 비교할 것입니다. (아래 그림)

<사전>과도 응답 v(2)의 4가지 구성 요소 DC 성분 =4.456E+00 고조파 푸리에 정규화 위상 정규화 없음(hz) 구성 요소 구성 요소(deg) 위상(deg) 1 6.000E+01 7.000E+00 1.000000 -0.195 0.000 2 1.200E+02 3.016E+00 0.430849 -89.765 -89.570 3 1.800E+02 1.206E-01 0.017223 -168.005 -167.810 4 2.400E+02 5.149E-01 0.073556 -87.295 -87.100 5 3.000E+02 6.382E-02 0.009117 -152.790 -152.595 6 3.600E+02 1.727E-01 0.024676 -79.362 -79.167 7 4.200E+02 4.492E-02 0.006417 -132.420 -132.224 8 4.800E+02 7.493E-02 0.010703 -61.479 -61.284 9 5.400E+02 4.051E-02 0.005787 -115.085 -114.889

푸리에 분석 반파 출력

이 분석에서 상대적으로 큰 짝수-다수 고조파에 주목하십시오. AC 파동의 절반을 차단하여 원래의 순수한 사인파에서 여러 고주파 사인파(실제로는 코사인) 파형에 해당하는 파형을 회로에 도입했습니다.

또한 큰 DC 구성 요소인 4.456볼트에 유의하십시오. AC 전압 파형이 "정류"되었기 때문에(앞뒤가 아닌 부하에서 한 방향으로만 밀 수 있음) DC와 훨씬 유사하게 동작합니다.

전파 정류

AC/DC 변환의 또 다른 방법은 전파입니다. (아래 그림), 짐작할 수 있듯이 소스에서 AC 전원의 전체 주기를 활용하여 AC 주기의 절반의 극성을 반대로 하여 전자가 항상 같은 방향으로 부하를 통과하도록 합니다.

이 작업이 어떻게 수행되는지 자세히 설명하지는 않겠지만 SPICE를 통해 파형(아래 그림)과 고조파 분석을 조사할 수 있습니다.

전파 정류기 회로

전파 브리지 정류기 v1 1 0 죄(0 15 60 0 0) 로드 2 3 10k d1 1 2 모드1 d2 0 2 모드1 d3 3 1 모드1 d4 3 0 모드1 .모델 모드1 d .트란 .5m 17m .plot 트란 v(1,0) v(2,3) .4 60 v(2,3) .끝 

전파 정류기용 파형

과도 응답 v(2,3)의 4가지 구성 요소 DC 성분 =8.273E+00 고조파 푸리에 정규화 위상 정규화 없음(hz) 구성 요소 구성 요소(deg) 위상(deg) 1 6.000E+01 7.000E-02 1.000000 -93.519 0.000 2 1.200E+02 5.997E+00 85.669415 -90.230 3.289 3 1.800E+02 7.241E-02 1.034465 -93.787 -0.267 4 2.400E+02 1.013E+00 14.465161 -92.492 1.027 5 3.000E+02 7.364E-02 1.052023 -95.026 -1.507 6 3.600E+02 3.337E-01 4.767350 -100.271 -6.752 7 4.200E+02 7.496E-02 1.070827 -94.023 -0.504 8 4.800E+02 1.404E-01 2.006043 -118.839 -25.319 9 5.400E+02 7.457E-02 1.065240 -90.907 2.612 

전파 정류기 출력의 푸리에 분석

무슨 차이야! SPICE의 푸리에 변환에 따르면 이 파형에는 원래 AC 소스 주파수의 진폭의 85배가 넘는 2차 고조파 성분이 있습니다!

이 파동의 DC 성분은 8.273볼트(반파 정류기 회로의 거의 두 배)인 반면 2차 고조파는 진폭이 거의 6볼트입니다. 테이블 아래에 있는 다른 모든 고조파에 주목하십시오.

홀수 고조파는 실제로 낮은 주파수보다 높은 주파수의 일부에서 더 강하며 흥미롭습니다.

보시다시피 깔끔하고 단순한 AC 사인파로 시작하는 것이 몇 개의 전자 부품을 통과한 후 복잡한 고조파로 끝날 수 있습니다.

이 모든 푸리에 변환 뒤에 있는 복잡한 수학은 전기 회로의 초급 학생이 이해할 필요는 없지만 작동 원리를 깨닫고 고조파 신호가 회로에 미칠 수 있는 실질적인 효과를 파악하는 것이 가장 중요합니다.

회로에서 고조파 주파수의 실제 효과는 이 장의 마지막 섹션에서 살펴보겠지만, 그 전에 파형과 각각의 고조파에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

검토:

<울>

모두 파형이 반복되는 한 함께 추가된 일련의 정현파 파형으로 축소될 수 있습니다. 다양한 파형은 사인파 고조파의 다양한 혼합으로 구성됩니다.

AC에서 DC로의 정류는 산업 전력 시스템 내에서 매우 일반적인 고조파 소스입니다.