Лабораторная работа выполняется на стенде «Основы электроники» (моноблочный вариант). На рис. 3.4 изображена электрическая схема эксперимента, а на рис. 3.5 – монтажная схема. Для проведения работы используется оборудование стенда: модуль «Источник питания», модуль мультиметров, модуль «Диоды и тиристоры». На рис. 3.5 показаны передние панели лабораторных модулей.
Источник питания предназначен для подачи на мостовую схему выпрямителя (рис. 3.5) переменного напряжения 12 вольт. Стрелочный миллиамперметр мА с пределом измерения “100 мА” используется для измерения выпрямленного тока Id, цифровой вольтметр PV1 в режиме измерения постоянного напряжения “=” измеряет среднее значение выпрямленного напряжения Ud на выходе схемы выпрямления. Вольтметр PV2 подключается для измерения напряжения питания “~12В”.
На рабочем поле модуля “Диоды и тиристоры” (см. рис. 3.5) изображена мнемосхема исследуемой мостовой схемы выпрямления, регулируемое сопротивление нагрузки Rн и конденсаторы С2, C3 емкостных фильтров, установлены гнезда для подключения измерительных приборов и соединительных проводов.
Рис. 3.4 Электрическая схема эксперимента
Расчетное задание
Произвести расчет основных параметров и характеристик мостовой схемы выпрямления, данные элементов которой приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
| Трансформатор | Диоды | Фильтр | Нагрузка, кОм | |||||||||||
| U1н, В | n | Rтр, Ом | Uпр, В | Uобрmax, В | Iпр, А | С2, мкФ | C3, мкФ | Rd0 | Rd1 | Rd2 | Rd3 | Rd4 | Rd5 | Rd6 |
| 15,7 | 1,0 | 0,5 | ∞ | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 |
В табл. 3.1: U1н – действующее значение напряжения на первичной обмотке трансформатора; n = U1н/U2 – коэффициент трансформации трансформатора; Rтр – активная составляющая сопротивлений обмоток трансформатора; Iпр – средний прямой ток диода; Uпр – падение напряжения на открытом диоде; Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение на диоде; C2, C3 – емкости конденсаторов фильтров; Rd0, …, Rd6 – сопротивления нагрузки.
4.1. Рассчитать по известным соотношениям (табл. 3.2) основные параметры однофазного мостового выпрямителя: U2 и U2m – действующее и максимальное значения напряжений вторичной обмотки трансформатора; Ud0 – среднее значение выпрямленного напряжения на холостом ходу; Id – среднее значение выпрямленного тока при заданной нагрузке Rd, Ia – среднее значение тока диода, Ubmax – максимальное значение обратного напряжения на диоде, I2 и I2m – действующее и амплитудное значения тока во вторичной обмотке трансформатора; Pd – значение активной мощности на нагрузке, S2 – расчетное значение полной мощности вторичной обмотки. Результаты расчетов занести в табл. 3.3.
Таблица 3.2
| Схема | Расчетные соотношения параметров | |||||
| U2/Ud0 | I2/Id | Ubmax/U2 | I2m/I2 | Ia/Id | S2/Pd | |
| Мостовая | 1,11 | 1,11 | 
|
| 0,5 | 1,23 |
| Нулевая | 1,11 | 0,785 | 
|
| 0,5 | 1,74 |
Таблица 3.3
| Параметр | Rd кOм | U2 B | U2m B | I2 мА | Udо B | I d мА | Ubmax B | I а мA | S2 BA | I2m мА |
| Расчет | ||||||||||
| Эксперимент |
4.2. По результатам расчетов п. 4.1 построить с соблюдением масштаба временные диаграммы напряжения u2 на вторичной обмотке трансформатора, выпрямленного напряжения ud, выпрямленного тока id, тока i2 вторичной обмотки трансформатора, обратных напряжений на диодахU1,3 и U2,4. Пример построения временных диаграмм показан на рис. 3.2.
На временных диаграммах указать название диаграммы, период Tc и частоту fc сетевого напряжения, период Tп и частоту fп выпрямленного пульсирующего напряжения, действующие и амплитудные значения токов и напряжений.
4.3. Рассчитать коэффициент пульсаций qр и коэффициент сглаживания Sp выпрямленного напряжения Ud при подключении емкостных сглаживающих фильтров C2, C3, и (С2+С3). Расчетное значение коэффициента пульсаций при работе без фильтра равно qp= 
, а при включении емкостного фильтра определяется соотношением qp= 
,
где ωc = 2πfс – угловая частота, fс = 50Гц.
Расчетное значение Sp определяется соотношением Sp = qвх/qвых, где qвх – коэффициент пульсаций на входе фильтра, qвых = qp – коэффициент пульсаций после фильтра на нагрузке Rd.
Полученные результаты вычислений qp и Sp занести в таблицу 3.4.
Таблица 3.4
| R d =,Ом | Параметр | Тип фильтра | |||
| отключен | С2 | С3 | С2 + С3 | ||
| Расчет | q р | ||||
| S р | |||||
| Эксперимент | Ud~, B | ||||
| Ud, B | |||||
| q э | |||||
| Sэ |
4.4. Рассчитать и построить внешнюю характеристику Ud = f(Id) исследуемого выпрямителя при работе без фильтра.
Внешнюю характеристику выпрямителя рассчитать по уравнению
Ud = Ud0 – RтрId – ΔUa,
где ΔUa = NUпр – падение напряжения на диодах одного плеча выпрямителя, для мостовой схемы выпрямления N = 2. Расчет выполнить по данным табл. 3.1 и 3.3. Внешняя характеристика строится по двум точкам:
1) Режим холостого хода. Id = 0, Ud = Ud0;
2) Режим максимальной нагрузки. Id1 = (Ud0 ‑ ΔUa) / Rd1
Ud1 = Ud0 – RтрId1 – ΔUa.
Экспериментальная часть
5.1. Для проведения экспериментальных исследований, используя схему эксперимента (см. рис. 3.4) собрать монтажную схему (см. рис. 3.5). Для запитки мостовой схемы клемму “~12В” источника питания соединить с гнездом Х41 исследуемого модуля. Для измерения выпрямленного тока Id выход мостовой схемы (гнездо 43) соединить с клеммой “+” миллиамперметра mA с пределом измерения “100 мA”. Потенциометр нагрузки RH подключить к выходу мостовой схемы. Для этого гнездо Х25 нагрузки RH соединить с клеммой “–” миллиамперметра mA, а гнездо Х26 с гнездом Х35. Для измерения выпрямленного напряжения Ud цифровой вольтметр PV1 в режиме измерения постоянного напряжения “=” подключить на выход мостовой схемы, соединив “+” PV1 с гнездом Х43, а “–“ с гнездом Х42.
Рис. 3.5. Монтажная схема эксперимента
Для создания общей точки на выходе мостовой схемы гнездо Х42 соединить с размножающим гнездом Х35, куда подключить корпус осциллографа.
5.2. Измерение параметров мостовой схемы выпрямителя в режиме холостого хода
Для получения режима холостого хода отключить нагрузку RH, разомкнув гнездо Х25. Выключателем “Сеть” включить питание стенда и включить осциллограф для измерения амплитуд напряжений. Вольтметром PV2 в режиме измерения переменного напряжения измерить напряжение питания U2, подключив его к клеммам “≈12 В” и “┴” источника питания. Вольтметром PV2 измерить среднее значение выпрямленного напряжение Ud0. Осциллограф подключить вместо вольтметра PV2 и измерить по экрану осциллографа амплитуду U2m вторичного напряжения U2. Измеренные значения U2, U2m и Ud0 занести в таблицу 3.3. Выключить питание стенда и осциллографа.
5.3. Измерение параметров выпрямителя при работе под нагрузкой
Для задания требуемой величины сопротивления нагрузки Rdi к гнездам Х25 и Х26 потенциометра RH подключить мультиметр в режиме измерения сопротивления. Потенциометром Rн установить величину сопротивления нагрузки Rd согласно варианта (см. табл. 3.1).
Для подключения к схеме нагрузки Rн замкнуть гнездо Х25. Выключателем “Сеть” включить питание стенда. Записать в таблицу 3.3 значение выпрямленного тока Id, показанное миллиамперметром. С помощью вольтметра PV1 измерить постоянную составляющую напряжения на нагрузке Ud. По показаниям вольтметра Ud и миллиамперметра Id рассчитать экспериментальное значение сопротивления нагрузки Rd. Остальные параметры выпрямителя Ia, I2, I2m, S2 рассчитать по известным соотношениям (п. 4.1), используя полученные ранее экспериментальные данные.
5.4. Снятие осциллограмм напряжений выпрямителя
Включить питание осциллографа. Для получения осциллограммы напряжения U2 подключите осциллограф к клеммам “≈12 В” и “┴” источника питания. Зарисовать в масштабе осциллограммуU2 и по ней определить амплитуду U2m, период Tc и частоту f c сетевого напряжения питания; написать название осциллограммы и измеренные значения: U2m, Tc и f c.
Далее подключить осциллограф параллельно нагрузке к гнездам Х25 и Х26 и зарисовать в масштабе осциллограмму выпрямленного напряжения Ud при заданной нагрузке Rd. По осциллограмме определить амплитуду пульсаций Umn выпрямленного напряжения, период пульсаций Tn и частоту пульсаций f n. На осциллограмме указать Umn, Tn, Ud и написать название осциллограммы и измеренные значения: Umn, Tn, f n и Ud. Для получения осциллограммы напряжения на диоде VD1 сигнальный выход канала CH1 осциллографа подключить на гнездо Х35, а выход “┴” осциллографа – на гнездо Х25. Используя масштаб по напряжению по осциллограмме определить максимальное обратное напряжение Ubmax на диоде VD1, значение которого занести в таблицу 3.3, на осциллограмме указать Ubmax=U2m, написать название осциллограммы и измеренное значение Ubmax.
5.5. Исследование работы выпрямителя без сглаживающих фильтров и при их подключении
При отключенных фильтрах и ранее установленном сопротивлении нагрузки Rd вольтметром PV1 измерить постоянную составляющую Ud выпрямленного напряжения на нагрузке, а затем переключив вольтметр PV1 в положение “~” замерить переменную Ud~ составляющуювыпрямленногонапряжения. Результаты измерений занести в таблицу 3.4.
По результатам измерений определить экспериментальный коэффициент пульсаций qэ = Ud~/Ud.
Исследовать влияние на выпрямленное напряжение емкостного фильтра на различных значениях емкости конденсатора: С2, С3, (С2+С3). Для этого подключить осциллограф параллельно нагрузке и зарисовать в прежнем масштабе осциллограммы выпрямленного напряжения на нагрузке Ud при каждом включенном фильтре. С помощью вольтметра замерить на нагрузке постоянную Ud и переменную Ud~ составляющие выпрямленного напряжения для каждого фильтра. Для каждого случая рассчитать коэффициент пульсаций qэ. Эффективность работы фильтров оценить по величине коэффициента сглаживания Sэ = qвх/qвых. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 3.4.
5.7. Снятие внешних характеристик мостового выпрямителя
Внешние характеристики Ud = f(Id) мостового выпрямителя снять при отсутствии фильтра, при емкостных фильтрах С2, С3, (С2 + С3). Для этого, изменяя величину сопротивления потенциометра Rн, измерять величину выпрямленного напряжения Ud и выпрямленного тока Id при каждом сопротивлении нагрузки Rd. Результаты измерений занести в таблицу 3.5.
Построить графики внешних характеристик на тех же осях, что и расчетная внешняя характеристика.
Таблица 3.5
| Тип фильтра | Параметр | Нагрузка | ||||||
| Rd0 | Rd1 | Rd2 | Rd3 | Rd4 | Rd5 | Rd6 | ||
| Отключен | Ud, B | |||||||
| Id, мА | ||||||||
| Емкостный С2 | Ud, B | |||||||
| Id, мА | ||||||||
| Емкостный С3 | Ud, B | |||||||
| Id, мА | ||||||||
| Емкостный С2 + С3 | Ud, B | |||||||
| Id, мА |
Содержание отчета
6.1. Наименование и цель работы.
6.2. Принципиальная электрическая схема, технические данные элементов мостового выпрямителя.
6.3. Расчетные формулы, результаты расчетов. Временные диаграммы токов и напряжений. График внешней характеристики.
6.4. В экспериментальной части привести результаты измерений, произведенных расчетов. Осциллограммы напряжений, графики внешних характеристик.
6.5. В выводах сравнить результаты расчетов и экспериментов. Оценить эффективность работы сглаживающих фильтров. Сравнить внешние характеристики при работе без фильтров и при включении сглаживающих фильтров с разными значениями емкости конденсаторов.
Контрольные вопросы
1.Какие функции выполняют в выпрямителях силовой трансформатор, блок диодов и сглаживающий фильтр?
2.При каких условиях полупроводниковые диоды выпрямителей работают в режиме замкнутого, при каких – разомкнутого ключа?
3.Изменится ли полярность выпрямленного напряжения при изменении полярности подключения первичных или вторичных обмоток трансформатора?
4.Почему индуктивность в фильтрах включают последовательно, а конденсатор – параллельно нагрузке?
5.Какие элементы (их параметры) определяют наклон (жесткость) внешней характеристики выпрямителя?
6.Какие элементы схемы выбираются по действующему, среднему или амплитудному значению тока (напряжения)?
7.Какой формы ток потребляется выпрямителем из сети при различных фильтрах, с чем это связано?
8. Чем объясняются различия в виде внешних характеристик выпрямителей с различными фильтрами?
Лабораторная работа №4
