ЛБ-ПР(ВУ,Оп) (Лабораторные работы по электротехнике)

ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №

«Исследование выпрямительных устройств»

1. Цель работы:

1. Ознакомление с методикой построения схем и моделирования работы устройств в компьютерной лаборатории электротехники и электроники. 2. Изучение принципов работы различных типов выпрямителей.

3. Изучения влияния различных типов сглаживающих фильтров на форму выпрямленного напряжения и на выходные характеристики выпрямительных устройств.

2. Краткие теоретические сведения.

2.1. Однофазные выпрямители.

2.1.1. Однополупериодный выпрямитель.

Схема и временные диаграммы напряжений и токов приведены на

рисунках 1 и 2

Рис.1

Схема содержит трансформатор ТР, в цепи вторичной обмотки которого включены последовательно диод Д и сопротивление нагрузки R_н.

При принятых допущениях (идеальный трансформатор) следует, что если напряжение u₁ на первичной обмотке трансформатора меняется по синусоидальному закону, то напряжение на вторичной обмотке u₂ также синусоидально.

Ток через диод i_а, следовательно, и через нагрузочный резистор i_н появляется в те полупериоды, когда потенциал точки а выше потенциала точки б вторичной обмотки трансформатора, так как в эти полупериоды диод Д открыт. Когда потенциал точки а отрицателен по отношению к потенциалу точки б, диод закрыт, ток в цепи равен нулю. Таким образом, ток в резисторе R_н появляется только в одном из полупериодов напряжения u₂, а схема называется однополупериодной. При принятых допущениях (идеальный диод) в положительный полупериод напряжения u₂ величина напряжения на нагрузочном резисторе равна величине u₂, а на диоде нулю, а в отрицательный полупериод u_н=0, а величина u_а = u₂.

В этой схеме U_н.ср=0,45U₂ и тогда

.

Рис.2

Недостатки этой схемы:

- малое среднее значение тока нагрузки I_н.ср;

- большое обратное напряжение U_{обр.макс} = U_2m;

- высокий уровень пульсаций(коэффициент пульсации ).

Эти недостатки устраняются в двухполупериодных схемах выпрямителей, в которых используются оба периода напряжения в сети.

2.1.2 Выпрямитель со средней точкой трансформатора.

Выпрямитель с выводом средний точки вторичной обмотки трансформатора является двухполупериодным выпрямителем, схема и временные диаграммы которого приведены на рисунках 3 и 4.

Рис.3

Выпрямитель состоит из трансформатора со вторичной обмоткой имеющей среднюю точку, двух диодов Д1 и Д2 и нагрузочного резистора R_н, включенного между средней точкой трансформатора и катодами двух диодов.

Схему можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей включенных на общую нагрузку.

Рис.4

Считаем, что напряжение на каждой половине вторичной обмотки трансформатора равны между собой u_2а = u_2б = u₂.

В течение положительной половины периода напряжение u_2а точки а схемы имеет более высокий потенциал (++), чем средняя точка (+) и еще более высокий потенциал, чем точка б. При этом диод Д1 открыт, ток в нагрузочном резисторе

i_н = i_а1, к диоду Д2 приложено напряжение равное u_аб.

В течении второй половины периода напряжения точка а имеет наиболее низкий потенциал (--), средняя точка более высокий (-), а точка б самый высокий потенциал (+), диод Д2 открыт, ток в нагрузочном резисторе i_н = i_а2 и имеет тоже направление, что и в первом полупериоде.

В такой схеме величина U_н.ср = 0,9U₂. и ток нагрузке определяется по формуле

,

значит I_н.ср и U_н.ср в два раза выше, чем в однополупериодном выпрямителе. Пульсации значительно меньше (коэффициент пульсации р  0,67),

однако обратное напряжение на закрытых диодах вдвое больше

U_{обр.макс} = 2U_2m

2.1.3 Мостовая схема выпрямителя.

Наиболее распространенной схемой является мостовая схема двухполупериодного выпрямителя (Рис.5) соответствующие временные диаграммы которой приведены на рисунке 6.

Рис.5

В этой схеме диоды Д1-Д4 включены по мостовой схеме, к одной диагонали которой подведено переменное напряжение u₂, а к другой подключен нагрузочный резистор R_н.

В течение первой половины периода напряжения u₂, когда потенциал точки а положителен, а точки б отрицателен, диоды Д1, Д3 открыты, а Д2, Д4 - заперты, ток i_н течет через диод Д1, нагрузочный резистор R_н и диод Д3. К диодам Д2, Д4 приложено напряжение вторичной обмотки трансформатора u₂.

В другой полупериод напряжения u₂ потенциал точки а ниже потенциала точки б и диоды Д2, Д4 открыты, а Д1, Д3 закрыты, при этом ток i_н течет через

Диод Д2, нагрузочный резистор R_н и диод Д4 в том же направлении, что и в первый полупериод напряжения.

Рис.6

При этом средний ток I_н.ср и среднее напряжение U_н.ср на нагрузке в два раза превышают ток и напряжение однополупериодного выпрямителя, а пульсации такие же как в выпрямителе со средней точкой.

Обратное напряжение на диодах в закрытом состоянии равно соответственно U_{обр.макс} = U_2m.

Величина U_н.ср = 0,9U₂ и ток нагрузке определяется по формуле

.

2.1.4 Сглаживающие фильтры.

Выпрямленное напряжение имеет пульсирующий характер и его нельзя непосредственно использовать для питания электронных устройств. Поэтому для уменьшения степени пульсации на выходе выпрямителя применяют сглаживающие фильтры.

Фильтры состоят из конденсаторов и катушек индуктивности. Основные виды фильтров: емкостной, индуктивный и смешанный.

Емкостной фильтр (Рис.7а) включается параллельно нагрузочному резистору и шунтирует его для составляющей тока. При этом конденсатор C_ф попеременно заряжается под действием выпрямленного напряжения u_В, а затем разряжается через резистор R_н. Если постоянная времени разряда конденсатора = C_фR_н значительно превышает период напряжения u_2, то напряжение при разряде уменьшается несущественно (Рис.7б), что приводит к значительному увеличению среднего значения напряжения на нагрузочном резисторе U_н.ср и к снижению степени пульсации выпрямленного напряжения.

Емкостной фильтр используется для слабых токов и небольшой мощности, т.е. при высокоомной нагрузке.

а) б)

Рис.7

При этом основной характеристикой фильтра является коэффициент сглаживания ,

где: р_вх - коэффициент пульсации на входе фильтра;

р_вых - коэффициент пульсации на выходе фильтра.

Для выпрямителей большой и средней мощности применяются индуктивные фильтры которые включаются последовательно с нагрузочными резисторами (Рис.8а).

В результате переменная составляющая тока через нагрузку значительно уменьшается и снижает степень пульсации выпрямленного напряжения (Рис.8б).

а) б)

Рис.8

Чаще используются смешанные фильтры: Г-образный LС-фильтр (Рис.9) или П-образный CLC-фильтр (Рис.10).

Рис.9 Рис.10

Они обеспечивают более высокую степень сглаживания выпрямленного напряжения.

2.1.5 Внешние характеристики выпрямителей.

Зависимость напряжения от величины тока нагрузки U_н = f(I_н) называют внешней характеристикой выпрямителя. Она определяется формулой

где: U_н.хх - напряжение на нагрузке на холостом ходу (I_н=0);

R_тр - активное сопротивление трансформатора;

R_д - сопротивление диода в прямом направлении.

На рисунке 11 представлены внешние характеристики некоторых типов выпрямителей с фильтрами и без них:

1 - однополупериодный выпрямитель без фильтра;

2 - двухполупериодный выпрямитель без фильтра;

3 - однополупериодный выпрямитель с С-фильтром;

4 - двухполупериодный выпрямитель с RС-фильтром;

Рис.11

3. Порядок выполнения работы.

3.1. Опыт №1. Однополупериодный выпрямитель.

1. Схема однополупериодного выпрямителя (Рис.12).

Рис.12

3.1.2. Используя в качестве нагрузки сопротивление R, снимите три внешние характеристики выпрямителя U_d = f(I_d) (смотрите методику снятия внешних характеристик):

- для выпрямителя без фильтра;

- для выпрямителя c C-фильтром (фрагмент схемы представлен на Рис.14а);

- для выпрямителя c CLC-фильтром (фрагмент схемы представлен на Рис.14б).

Рис.13а Рис.13б

3.1.3. Для R=100 Ом зарисуйте три осциллограммы выходного напряжения

с учетом масштаба (смотрите методику работы с осциллографом).

3.2. Опыт №2. Двухполупериодный выпрямитель.

3.2.1. Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой трансформатора (Рис.14).

Рис.14

3.2.2. Выпрямитель без фильтра. Для R=100 Ом зарисуйте осциллограмму выходного напряжения с учетом масштаба (смотрите методику работы

с осциллографом).

3.3. Опыт №3. Двухполупериодный мостовой выпрямитель.

3.3.1. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя (Рис.15).

Рис.15

3.3.2. Используя в качестве нагрузки сопротивление R, снимите три внешние характеристики выпрямителя U_d = f(I_d) (смотрите методику снятия внешних характеристик):