ЭПУ_2 (Методические указания по выполнению лабораторных работ), страница 2

В режиме, близком к холостому ходу выпрямителя (R >> ωLф), влияние фильтра несущественно, импульс тока имеет форму полуволны синусоиды и, следовательно, постоянная составляющая напряжения на нагрузке равна U₀ = E_2m/π, что совпадает со случаем резистивной нагрузки. С увеличением постоянной времени τн интервал проводимости возрастает, а в выпрямленном напряжении появляется отрицательный выброс, снижающий постоянную составляющую напряжения на нагрузке.

П рерывистый характер выпрямленного тока, низкий коэффициент мощности χ = 

= ν₁cos φ₁ и резко падающая внешняя характеристика являются существенными недостатками рассмотренной схемы, ограничивающими ее применение в радиоэлектронной аппаратуре.

На практике чаще используется модификация рассмотренной схемы, отличающаяся наличием “обратного” диода (рис. 4, а), шунтирующего цепь нагрузки при появлении на выходе выпрямителя напряжения обратной полярности (ωt > π) и обеспечивающего “запирание” основного диода VD1 (рис. 3, б, рис. 4, б). Введение “обратного” диода VD2 создает разрядный контур, по которому замыкается ток нагрузки во втором полупериоде (π < ωt < 2π), поддерживаемый за счет энергии, накопленной в магнитном поле индуктивности Lф в течение первого полупериода (0 < ωt < π). При этом ток в нагрузке iн уже не может стать равным нулю ни в какой момент периода, что приводит к сглаживанию пульсаций тока в нагрузке.

Следует обратить внимание на то, что в данной схеме пульсации тока iн уменьшаются с ростом τн = Lф/Rн, а постоянная составляющая тока I₀ остается неизменной. Коэффициент пульсаций выпрямленного тока в рассматриваемой схеме с “обратным” диодом определяется выражением kп_I ≈ π / (2ωτн), и при достаточно больших постоянных времени импульсы тока диодов i_v1 и i_v2 становятся почти прямоугольными.

В этой схеме сохраняются также существенные недостатки однофазной однотактной схемы  большое значение габаритной мощности трансформатора, низкий коэффициент мощности χ = ν₁cos φ₁ и вынужденное намагничивание магнитопровода трансформатора, что ограничивает ее применение.

От указанных недостатков свободна двухтактная (мостовая) схема выпрямителя (рис. 5, а). Временные диаграммы токов и напряжений в характерных точках этой схемы показаны на рис. 5, б. Значение индуктивности Lф в данном случае определяет только уровень пульсаций напряжения на нагрузке и не влияет на его постоянную составляющую и интервал проводимости диодов, что характерно для всех схем с m ≥ 2. Основные расчетные соотношения для рассматриваемой схемы приведены далее:

U₀ = 0,9U₂;  U₂ = 1,1U₀ ; I₂ = I₀ ;  kп = E_m1 /U₀ = 0,67 ;

P₁ = U₁I₁ = 1,1P₀; k₂ = P₂/P₀,   k₁ = P₁/P₀ ;

P₂ = U₂I₂ = 1,1P₀; Pгаб = P₀(k₁ + k₂)/2 = 1,1P₀ .             

Особенности работы выпрямителей

на резистивно-емкостную нагрузку

Режим работы на резистивно-емкостную нагрузку является наиболее распространенным в маломощных выпрямителях. В этом режиме параллельно сопротивлению нагрузки подключается конденсатор (рис. 6, а), что приводит к существенным изменениям форм тока диода и выпрямленного напряжения, а также энергетических соотношений.

В
ременные диаграммы токов и напряжений в однофазной однотактной схеме выпрямления с резистивно-емкост-ной нагрузкой (без учета ин­дуктивностей рассеяния трансфор­матора L_s) в установившемся режиме приведены на рис. 6, б. В этом слу­чае момент возникновения тока диода i_v будет сдвинут по отношению к началу положительной полуволны напряжения u₂ на угол φ₀ < π/2. Ток диода при φ₀ < ωt < ωt3 определится суммой токов конденсатора и нагрузки i_v(ωt) = ic + iн ≈ E_2m   (ωτн cos ωt + sin ωt)/Rн, где τн = = RнC₁. Для обеспечения малого kп = E_mп / U₀ должно выполняться условие ωτн >> 1.

Если в первом приближении пренебречь падением напряжения на диоде, то можно принять, что к моменту перехода u₂ через максимум конденсатор C₁ оказывается заряженным до амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке, т. е. E_2m. Начиная с этого момента конденсатор C₁ будет разряжаться на сопротивление нагрузки Rн, а ток ic изменит направление на обратное. В некоторый момент времени, определяемый углом закрывания ωt3 = φ₀ + λ, ток через диод прекратится, а напряжение на нагрузке будет поддерживаться лишь разрядным током конденсатора:

uн (t) = uc(t) = E_2m sin(ω t3) exp [–⁽t– t3^)/τн].

Угол закрывания диода определяется выражением ωt3 = arctg(–ωτн), показывающим, что значения этого угла будут изменяться от π при τн = 0 до π/2 при τн  ∞. Поскольку для выполнения условия малости коэффициента пульсаций постоянная времени разряда τн = Rн C₁ >> 1/ω, диод останется закрытым к началу следующей положительной полуволны напряжения и откроется в установившемся режиме лишь при выполнении условия

u₂(ωt) = E_2m sin φ₀ ≈ E_2m еxp [– (0,75π + φ₀)/τн].

Увеличение емкости фильтра C1 (или постоянной τн = Rн C₁) приводит не только к уменьшению коэффициента пульсаций, но и к увеличению постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Уменьшение сопротивления нагрузки Rн приводит к уменьшению постоянной времени цепи разряда τн, поэтому внешняя характеристика выпрямителя с емкостной нагрузкой крутопадающая, что определяет высокое выходное сопротивление и ограничения при использовании переменной нагрузки.

П
ри использовании П-образного фильтра, представляющего собой каскадное соединение емкостного и Г-образного фильтров, формы тока диода и напряжения на первой емкости фильтра близки к рассмотренным ранее.

Аналогичные процессы наблюдаются в двухтактной схеме выпрямителя, а также в других схемах выпрямления (m ≥ 1) с емкостной нагрузкой, при этом отличие заключается лишь в периодичности процессов заряда и разряда конденсатора. Внешние характеристики выпрямителя при использовании различных сглаживающих фильтров представлены на рис. 7.

Описание лабораторного макета

Лицевая панель макета содержит упрощенную принципиальную схему установки (рис. 8), органы управления, индикации и измерения. Лаборатоный макет помимо исследуемого выпрямителя содержит встроенный мультиметр для измерения тока первичной обмотки трансформатора I₁, тока вторичной обмотки трансформатора I₂, напряжения на вторичной обмотке трансформатора U₂, выпрямленного напряжения до сглаживающего фильтра U_В, напряжения на нагрузке U_Н и тока в цепи нагрузки I_Н. Выбор измеряемой величины и измеряемого параметра (амплитуда, действующее значение, постоянная составляющая) осуществляется соответствующими кнопками, расположенными снизу от дисплея.

В
макете предусмотрена возможность дискретного изменения сопротивления нагрузки выпрямителя, схемы выпрямителя и вида сглаживающего фильтра. Ключи S1 и S2 позволяют реализовать однофазные однотактную и двухтактную схемы, а также однофазную схему с обратным диодом. При этом функцию обратного диода выполняют последовательно включенные диоды VD3 и VD4. Состояние ключей индицируется соответствующими светодиодами.

Наличие двух выходов на внешний осциллограф позволяет одновременно наблюдать формы токов и напряжений в различных точках схемы:
i₁, u₂, i₂, i_VD1, i_VD3, u_VD1, u_В, i_C1, u_Н. Для исследования взаимосвязи сигналов во времени рекомендуется на один из каналов двухлучевого осциллографа постоянно подавать опорный сигнал (например, напряжение на вторичной обмотке трансформатора) и этим сигналом синхронизировать развертку осциллографа.

Программа выполнения работы

Ознакомиться со схемой лабораторного макета, с размещением органов управления макетом. Включить лабораторный макет и осциллограф.

1. Исследование однотактного выпрямителя (переключатели S1, S2 в положении “Выкл”).

1.1. При максимальном токе нагрузки зарисовать осциллограммы токов и напряжений при работе без фильтра, с емкостным фильтром, с индуктивным фильтром, с индуктивным фильтром и обратным диодом (в последнем случае включить S2).

Для наглядности осциллограммы удобно представить в виде таблицы.

1.2. Изменяя сопротивление нагрузки, снять внешнюю (нагрузочную) характеристику выпрямителя, т. е. зависимость постоянной составляющей напряжения на нагрузке от постоянной составляющей тока нагрузки U_Н = f(I_Н) при работе без фильтра, с индуктивным фильтром (при наличии и отсутствии обратного диода), с емкостным, Г-образным и П-образным фильтрами.

Все характеристики построить на одном графике в одном масштабе. Определить по характеристикам внутреннее сопротивление выпрямителя Rвых = –∆U_Н/∆I_Н для исследованных случаев.

2. Исследование двухтактного выпрямителя.

Переключатели S1, S2 установить в положение “Вкл”.

Провести исследования по программе, аналогичной пп. 1.1 и 1.2.

3. Исследование сглаживающих фильтров.

3.1. Для двухтактного выпрямителя снять зависимости коэффициента пульсаций напряжения на нагрузке от постоянной составляющей тока в цепи нагрузки при работе с емкостным и индуктивным фильтрами.

3.2. При максимальном токе нагрузки определить коэффициент сглаживания индуктивного, Г-образного и П-образного фильтров.

Содержание отчета

1. Принципиальная схема макета.

2. Таблицы экспериментальных данных и временные диаграммы. Графики экспериментальных зависимостей.

3. Краткие выводы.

Контрольные вопросы

1. Какими показателями характеризуется работа выпрямителя?

2. Классификация и характеристики основных схем выпрямления. Чем определяется фазность и тактность схем выпрямления?

3. Нарисуйте и объясните исследуемые схемы выпрямителей, а также временные диаграммы токов и напряжений в основных цепях при различных нагрузках: а) резистивной Rн; б) резистивно-индуктивной LфRн; в) резистив­но-емкостной RнC.

4. Как изменяются амплитуда и время протекания тока диода при подключении конденсатора к резистивной нагрузке?

5. Определите действующее значение тока через диод в однофазном двухтактном выпрямителе c индуктивной нагрузкой, если постоянная составляющая тока в нагрузке, например, 1A.