Лаб раб 6 Выпрямитель (Лабораторные работы по электротехнике)
Описание файла
Файл "Лаб раб 6 Выпрямитель" внутри архива находится в следующих папках: Лабораторные работы по электротехнике, Лаборатория N 331, Описания. Документ из архива "Лабораторные работы по электротехнике", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "электротехника (элтех)" из 4 семестр, которые можно найти в файловом архиве РТУ МИРЭА. Не смотря на прямую связь этого архива с РТУ МИРЭА, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лабораторные работы", в предмете "электроника и электротехника" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Лаб раб 6 Выпрямитель"
Текст из документа "Лаб раб 6 Выпрямитель"
9
Лабораторная работа № 6а. «Исследование источников питания электронных устройств»
Цель работы: изучение принципа работы и основных характеристик неуправляемых одно- и двухполупериодных выпрямителей.
Краткие теоретические сведения
Для питания большинства электронных устройств требуется постоянное напряжение, а первичным источником является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. В этих случаях прибегают к выпрямлению переменного напряжения с помощью устройств, называемых выпрямителями.
На рис. 1 представлена функциональная схема однофазного источника питания. Основой его является выпрямитель В, выполненный на одном или нескольких диодах, соединенных по одно- или двухполупериодным схемам. Схема также включает трансформатор ТР, согласующий напряжение сети UС с напряжением U2 на входе выпрямителя; сглаживающий фильтр Ф для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения Ud; стабилизатор Ст, обеспечивающий поддержание требуемой величины постоянного напряжения UdН на нагрузочном устройстве RН в условиях изменения напряжения сети и тока в RН.
Рис. 1
Работа выпрямителя характеризуется:
-
средним значением выпрямленного напряжения Ud и тока Id (в нагрузке);
-
максимальным обратным напряжением Um ОБР;
-
коэффициентом пульсации P и частотой fn пульсаций выпрямленного напряжения;
-
внешней характеристикой выпрямителя Ud = F(Id).
Выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя пульсирует. Его можно представить в виде суммы постоянной и переменной составляющих. Постоянную составляющую напряжения (тока) называют средним значением Ud(Id).
Существуют однополупериодная и двухполупериодная однофазные схемы выпрямления. Однополупериодная схема выпрямления показана на рис. 2а, а временные диаграммы тока iН и напряжения uН на нагрузочном устройстве RН – на рис. 2б.
Рассмотрим работу схемы, считая диод Д идеальным; это означает, что его обратное сопротивление равно бесконечности, а прямое – нулю.
Т ок iН в нагрузочном резисторе RН появляется только в те полупериоды напряжения u2, когда потенциал точки «a» вторичной обмотки трансформатора положителен по отношению к потенциалу точки «b», т.к. в этом режиме диод Д открыт. В этом случае напряжение на диоде практически равно нулю, а на нагрузочном резисторе uН = u2. В отрицательный полупериод u2 к диоду приложено обратное напряжение u2 ОБР, ток через него не протекает, а напряжение на нагрузочном резисторе равно нулю. Таким образом, при однополупериодном выпрямлении ток через нагрузочный резистор RН протекает только в течение одного полупериода напряжения u2 и имеет пульсирующий характер.
Наиболее обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению напряжения во вторичной обмотке трансформатора:
U2 m ОБР = Ud
Большая величина пульсаций, намагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей выпрямленного тока – все эти недостатки ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления.
Двухполупериодная схема выпрямления с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора представлена на рис. 3а, а временные диаграммы напряжения uН и тока iН в нагрузочном резисторе RН – на рис. 3б.
Два диода, Д1 и Д2, присоединены анодами к концам вторичной обмотке трансформатора «a» и «b», а нагрузочный резистор RН включается между общей точкой катодов и средней точкой вторичной обмотки трансформатора. В первый полупериод, когда «a» имеет положительный потенциал относительно средней точки «о», а «b» – отрицательный ток i`2 протекает от «a» через Д1 и нагрузочный резистор RН к точке «о». К диоду Д2 в это время приложено обратное напряжение u2 ОБР. В следующий полупериод «b» имеет положительный, а «a» – отрицательный потенциал относительно точки «о», и ток протекает от «b» через Д2 и нагрузочный резистор RН к точке «о», а к диоду Д1 приложено обратное напряжение u2 ОБР. Таким образом, ток через нагрузочный резистор в течение всего периода переменного напряжения u2 протекает в одном направлении.
Среднее значение выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы в 2 раза превышает соответствующее напряжение для однополупериодной схемы выпрямления, а ток через диоды вдвое меньше, чем в однополупериодной схеме. Однако, обратное напряжение u2 ОБР на закрытых диодах при одинаковых значениях напряжения u2 = u2` = u2`` в два раза превышает величину обратного напряжения однополупериодного выпрямителя. Величина пульсаций меньше, чем в однополупериодном выпрямителе. Недостатками ее являются необходимость использовать трансформатор с выводом средней точки его вторичной обмотки, большая величина обратного напряжения на диодах.
Ш ирокое применение нашла двухполупериодная мостовая схема выпрямления (рис. 4а). В этой схеме нагрузочное устройство включено в диагональ моста, составленного из диодов Д1 – Д4.
Когда точка «a» имеет положительный потенциал относительно «b», ток i2 проходит через диод Д1, нагрузочный резистор RН и диод Д3. К диодам Д2 и Д4 приложено обратное напряжение u2 ОБР. В следующий полупериод, когда «a» имеет отрицательный потенциал относительно «b», ток i2`` проходит от обмотки трансформатора через диод Д2, нагрузочный резистор RН и диод Д4. К диодам Д1 и Д3 в это время приложено обратное напряжение u2 ОБР.
Таким образом, ток через RН в течение периода напряжения u2 также протекает в одном направлении. Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме в 2 раза превышает среднее выпрямленное напряжение для однополупериодного выпрямителя.
Временные диаграммы токов и напряжение для двухполупериодного мостового выпрямителя представлены на рис. 4б. Обратное напряжение на диодах вдвое меньше, чем в схеме выпрямителя с выводом средней точки трансформатора: U2m ОБР = Ud / 2, а величина пульсаций та же.
Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Включается сглаживающий фильтр между выпрямителем и нагрузочным устройством RН.
В качестве элементов сглаживающих фильтров применяются индуктивные катушки и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты. У индуктивных катушек сопротивление постоянному току мало, а индуктивное сопротивление переменному току увеличивается с ростом частоты. У конденсаторов сопротивление постоянному току равно бесконечности, а емкостное сопротивление переменному току уменьшается с ростом частоты.
Если требуется получить высокий коэффициент сглаживания, то используют сложные сглаживающие фильтры, состоящие из R , L и C элементов.
На рис. 5 представлены два типа применяемых фильтров: а) емкостной; б) П-образный CLC-фильтр; где u3 - напряжение на выходе выпрямителя без фильтра.
Принцип сглаживания пульсаций с помощью емкостного фильтра заключается в том, что конденсатор Сф накапливает электрическую энергию, заряжаясь при нарастании напряжения u3, и отдаёт её, разряжаясь через цепь нагрузочного устройства, при его уменьшении (рис. 6а). При этом важно, чтобы время разряда конденсатора Cф было значительно больше периода Т изменения напряжения u3. Последнее выполняется тем лучше, чем постоянная времени разряда конденсатора τразр = RнCф больше периода Т изменения напряжения u3. Емкостные фильтры нашли широкое применение в маломощных источниках питания, когда сопротивление Rн нагрузочного устройства велико.
П ринцип сглаживания с помощью индуктивности состоит в том, что в ней возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая изменениям тока в цепи. Таким образом, представляя большое сопротивление для переменного тока, индуктивный элемент уменьшает переменную составляющую тока в нагрузочном устройстве.
На рис. 6 показаны осциллограммы напряжений на активном сопротивлении нагрузочного устройства двухполупериодного выпрямителя при включённом емкостном (рис. 6а) и CLC-фильтрах (рис. 6б).
Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость среднего значении выпрямленного напряжения Ud от среднего значения потребляемого тока Id в нагрузочном устройстве.
П оскольку реальные трансформаторы, диоды и индуктивности имеют конечные величины внутренних сопротивлений, то с увеличением потребляемого тока Id напряжение на выходе выпрямителя уменьшается за счёт потерь напряжения в схеме. Наклон внешней характеристики зависит также и от типа фильтра (рис. 7). Выпрямленное напряжение выпрямителя с емкостным или П-образным CLC-фильтрами в режиме холостого хода (Id = 0) равно амплитудному значению выпрямляемого напряжения U3m, до которого заряжается ёмкость фильтра, а выпрямителя без фильтра – среднему значению этого напряжения. Однако, уменьшение выпрямленного напряжения в выпрямителях с фильтрами происходит более резко, чем при отсутствии фильтра.
Это объясняется тем, что с уменьшением сопротивления нагрузочного устройства, вызывающим увеличение потребляемого тока, уменьшается постоянная времени цепи разряда конденсатора фильтра и увеличиваются потери напряжения на собственных активных сопротивлениях индуктивного элемента, что приводит к снижению напряжения на нагрузочном устройстве.
Описание лабораторного стенда
На передней панели лабораторного стенда размещена электрическая схема исследуемого источника питания (рис. 8) с разъёмами для подключения сменных плат блока выпрямителей (БВ) и блока фильтров (ВФ). Комплект сменных плат блока выпрямителей (рис.9) включает:
-
плату БВ1 – однополупериодный выпрямитель;
-
плату БВ2 – двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора;
-
плату БВ3 - мостовой выпрямитель.
Назначение переключателей и тумблеров.
В8 – предназначен для включения в схему выпрямителя блока фильтров (БФ).
Верхнее положение В8 – блок фильтров БФ отключён из схемы выпрямления.
Нижнее, положение В8 – блок фильтров БФ подключён между выпрямителем и нагрузкой.
В10 – предназначен для включения нагрузки на выходе выпрямителя.
Верхнее положение – нагрузка подключена.
Нижнее положение – режим холостого хода (х.х.).
В4, В6 – предназначены для изменения величины ёмкости в C или CLC‑фильтрах.
Верхнее положение соответствует меньшей ёмкости.
Среднее положение – ёмкость отключается.