Теоретическое обоснование работы.

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕУПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЫ

Методические указания к лабораторной работе по курсу “Электронные устройства систем управления”

Г. Набережные Челны

Г.

Лабораторная работа

"Исследование неуправляемых выпрямителей"

 

Цель работы: Изучить принцип действия однополупериодного выпрямителя, двухполупериодного выпрямителя со средней точкой, мостового выпрямителя. Ознакомиться с принципом действия сглаживающих фильтров.

 

Теоретическое обоснование работы.

 

Для питания электронных устройств требуется постоянное напряжение различной величины. Наиболее распространенным источником электроэнергии является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. Для преобразования переменного напряжения в постоянное применяют выпрямительные устройства.

Выпрямительные устройства, в которых выходное напряжение можно регулировать, называют управляемыми. Управляемые выпрямители построены на электронных приборах, которыми можно управлять - транзисторы, тиристоры и др.

В данной лабораторной работе рассмотрены неуправляемые выпрямители на полупроводниковых диодах.

Существуют схемы однополупериодного, двухполупериодного со средней точкой и мостового выпрямителей однофазного напряжения.

Рассмотрим однополупериодный выпрямитель. Схема выпрямителя представлена на рис.1.

Рис.1 Схема однополупериодного выпрямителя

 

В этом выпрямителе диод VD включен последовательно с сопротивлением нагрузки R_н и вторичной обмоткой трансформатора T.

На рис.2 показана временная диатрамма, из которой видно, что ток через нагрузку имеет пульсирующий характер.

Рис.2 Временные диаграммы

 

При приложении к аноду диода VD положительного напряжения сопротивление диода мало и почти все напряжение приложено к нагрузке R_н.

При приложении к аноду диода VD отрицательного напряжения сопротивление диода велико, почти все напряжение приложено к диоду, а через нагрузку R_н протекат обратный ток I_д.одр., т.е. в первый полупериод имеем:

U_т = U_н + U_д.пр = I_н R_н + U_д.пр

Uд.пр << U_н; или U_н» U_т

во второй полупериод имеем:

 

U_т = U_н + U_д.обр = I_д.обр R_н + U_д.обр

U_д.обр >> U_н; или U_д.обр» U_т

 

Коэффициент полезного действия будет:

 

I_o² Rн 0.406

h = P_вых/Р_вх = ------------------- = ----------------

I² (R_н + R_д.пр) 1 + R_д.пр/R_н

где I_o =I_m/p - постоянный ток в нагрузке R_н, или среднее значение тока,

I=I_m/2 - потребляемый выпрямителем от трансформатора тока, или среднеквадратичное значение тока.

Максимальное значение КПД однополупериодного выпрямителя при R_н >> R_д.пр будет 40.6 %. Более высоким КПД обладают схемы двухполупериодных выпрямителей.

Рассмотрим двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, представленный на рис.3.

 

Рис.3. Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

 

В нагрузке R_н подключены два однополупериодных выпрямителя на диодах VD1, VD2. Обмотки трансформатора T включены согласно, поэтому на аноды диодов подается противофазное напряжение U_Т1 = -U_Т2 и в любой момент времени через один из диодов протекает прямой ток.

Временные диаграммы работы выпрямителя со средней точкой представлены на рис. 4.

 

 

Рис.4

 

Через нагрузку R_н протекает пульсирующий ток. Каждый полупериод постоянная составляющая этого тока, в два раза больше, чем в схеме однополупериодного выпрямителя:

 

Iн = 2I_д.пр = 2I_m/p

 

где I_m =U_Т1 2/R_н - максимальное значение тока в нагрузке R_н.

Обратное напряжение в запертом диоде составляет двойную амплитуду U_Т1. Коэффициент полезного действия выпрямителя со средней точкой будет:

P_вых I_o² R_н 4/ p² *I_m² R_н 8 *R_н

h= ------- = ----------------- = ----------------------- = -----------------

Р_вх I²(R_н+R_д.пр) I_m² /2*(R_н+R_д.пр) p² (R_н+R_д.пр)

При R_н >> R_д._пр коэффициент полезного действия выпрямителя будет 81.2 %.

Недостатком этой схемы выпрямителяявляется необходимость иметь на трансформаторе средний вывод на вторичной обмотке. Данные выпрямители используются для получения больших токов при малом наряжении на нагрузке R_н.

 

Таким же высоким КПД, как выпрямитель со средней точкой, обладает мостовой выпрямитель.

Схема выпрямителя представлена на рис.5.

 

Рис.5 Схема мостового выпрямителя

 

В мостовой схеме напряжение с трансформатора подается на диагональ моста из диодов VD1-VD4, с другой диагонали снимается выпрямленное напряжение для подключения нагрузки R_н.

В один полупериод ток проходит через доды VD1,VD3 и через R_н, в другой полупериод включаются диоды VD4,VD1.

Среднее значение выпрямленного напряжения

 

U_н = U_Т1 - 2U_д.пр

 

т.е. практически такое же, как в схеме со средней точкой, но полное напряжение вторичной обмотки в два раза меньше.

Пульсирующее напряжение характеризуют коэффициентом пульсации K_п. Напряжение на выходе выпрямительного устройства можно представить в виде суммы постоянного и переменного напряжений. Существует два определения коэффициента пульсации: амплитудное и действующее. Коэффициентом пульсации по амплитуде называют отношение амплитуды переменного напряжения пульсации к постоянному напряжению на выходе выпрямителя:

 

U_m ½*(U_max - U_min)

К_па = ------ = -----------------------

U_o ½ *(U_max + U_min)

где U_m - амплитуда напряжения пульсации;

U_o - постоянное напряжение;

U_max - максимальное значение напряжения;

U_min - минимальное значение напряжения.

Коэффициент пульсации по амплитуде используют, когда есть возможность визуального наблюдения формы выходного напряжения выпрямительного устройства.

Коэффициент пульсации по действующему значению называют отношение действующего значения напряжения пульсации к значению постоянного напряжения на выходе выпрямительного устройства:

 

К_п = U/U_o

 

где U - действующее значение напряжения пульсации;

U_o - постоянное напряжение.

Для однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсации

по амплитудному значению будет:

 

U_m I_mR_н

К_па = ------ = ---------- = 1.57

U_o 2I_oR_н

 

где I_m - амплитудное значение тока;

I_o = I_m/p - постоянный ток.

Коэффициент пульсации по действующему значению будет:

U IR_н

К_п = ----- = ------- = 1.21

U_o I_oR_н

где I - действующее значение тока пульсации;

I_o - постоянный ток.

Для двухполупериодного выпрямителя со средней точкой и мостового выпрямителя:

 

К_па = 0.667

К_п = 0.48

 

Пульсации напряжения вызывают помехи в электронных устройствах, поэтому для уменьшения изменения выходного напряжения применяют сглаживающие фильтры.

В качестве элементов сглаживающих фильтров используют реактивные элементы: конденсаторы, дроссели, а также активные элементы - транзисторы.

При выборе фильтра задаются коэффициентом сглаживания (фильтрации):

 

S = К_п1 /К_п2,

 

где К_п1 - коэффициент пульсации на входе фильтра;

К_п2 - коэффициент пульсации на выходе фильтра.

Коэффициент сглаживания (фильтрации) показывает во сколько раз фильтр уменьшает напряжение пульсаций выпрямленного напряжения. Для увеличения коэффициента сглаживания используют многозвенные фильтры, т.е. фильтры соединяют последовательно, в этом случае коэффициент сглаживания будет:

 

S_общ = S₁ * S₂ *... S_n,

 

где S₁,S₂,... S_n - коэффициенты сглаживания каждого звена.

В зависимости от элементов сглаживающие фильтры делятся на емкостные, индуктивные, резистивно-емкостной, индуктивно-емкостной. Действие сглаживающего фильтра основано на том, что элемент, включенный последовательно с нагрузкой представляет большое сопротивление для переменной составляющей пульсации и малое сопротивление для постоянного тока, элемент, включаемый параллельно с сопротивлением нагрузки, обладает малым сопротивлением для переменного напряжения и большое сопротивление для постоянного тока.

При малых токах нагрузки применяют емкостной фильтр, в этом случае скорость разряда емкости невелика и постоянное напряжение на нагрузке близко к амплитудному значению переменного напряжения.

Коэффициент сглаживания емкостного фильтра:

 

S = w C_j R_н,

 

где w =2pf - круговая частота;

C_j - емкость фильтра;

R_н - сопротивление нагрузки.

При больших токах в нагрузке используют индуктивный фильтр, индуктивность включается последовательно с нагрузкой. Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра:

 

w Lj

S = --------,

R_н

 

где Lj - индуктивность фильтра.

В схемах, где тредуется более высокий коэффициент сглаживания, но ток нагрузки мал, используют резистивно-емкостной фильтр RC, представленный на рис. 6.

 

Рис. 6. Схема резистивно-емкостного фильтра.

 

Коэффициент сглаживания RC - фильтра будет:

 

S = w² Rj² Cj² + 1,

 

где Rj - сопротивление фильтра;

Cj - емкость фильтра.

Данная формула справедлива при условии R_н >> 1/(wCj).

Для повышения коэффициента сглаживания применяют LC -

фильтр, представленный на рис. 7. Если выполняется условие:

 

w L_j >> 1 / wCj << R_н

 

 

коэффициент сглаживания будет: S = w²L_jC_j - 1.

В качестве элемента сглаживания фильтра могут применяться активные элементы, но в этом случае изменение тока в нагрузке должны быть незначительные, т.е. электронные фильтры рассчитаны на определенное сопротивление нагрузки.

Рис.7. Схема индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра.

 

Для качественной оценки выпрямительных устройств используют внешние характеристики. Внешней характеристикой называют зависимость выходного напряжения выпрямительного устройства от тока нагрузки.

На рис. 8 приведен внешние характеристики выпрямителей без фильтра и с фильтрами.

На внешней характеристике представленны зависимости напряжения нагрузки от тока нагрузки для однополупериодного выпрямителя без фильтра 1, с емкостным фильтром 3, с RC фильтром 4, с LC фильтром 5 и мостового выпрямителя без фильтра 2. Напряжение, подводимое на выпрямители, одинаково. Наклон внешней характеристики определяет внутреннее сопротивление выпрямителя

 

DU_н

r_i = ---------,

DI_н

 

где DU_н, DI_н - изменение напряжения и тока в нагрузке.

Сравнение внешних характеристик при одинаковом токе нагрузки I_н позволяет выявить предпочтительное выпрямительное устройство.

 

 

Рис. 8. Внешние характеристики выпрямителей.

 

Порядок проведения работ.

 

Для проведения лабораторной работы необходимы: АВМ1, АВМ2, ИП (~15В), осцилограф С1-73, съемные элементы: диоды КД103 - 2 шт, конденсаторы 50,0х25В - 2 шт, R1 - 100 и 200 Ом, R2 - 10 кОм.

1. Собирается схема однополупериодного выпрямителя согласно плакату №8 (без диода VD2) (см. рис. 9).

Проводниками соединяют:

ИП ~15B - X1

ИП общ. - 2

АВМ1 "+" - Х4

АВМ1 "-" - Х5

АВМ2 "+" - 4

АВМ2 "-" - 5

Устанавливают тумблер "АВМ1-АВО" в положении "АВМ1". Предел измерения - 50 мА.

Тумблер "АВМ2-МВ" в полождение "АВМ2".

Предел измерения - 50 В.

Вставляют навесные элементы:

VD1 - КД103;

С1, С2 - 50.0х25В;

R1 - 200 Ом;

R2 - переменное сопротивление 10 кОм.

После проверки правельности монтажа схеиы преподавателем включить тумблер "Сеть".

 

Рис. 9.

 

2. Снять внешние характеристики выпрямителя с фильтром, т.е. зависимость напряжения на сопротивлении нагрузки R2 от тока. Данные занести в таблицу 1.

3. Снять внешнюю характеристику при измененных значениях съемных элементов:

б) R1 = 100 Ом; C1 = C2 = 50 мкФ;

в) R1 = 200 Ом; C1 = C2 = 0 мкФ;

г) R1 = 100 Ом; C1 = C2 = 0 мкФ;

Данные занести в таблицу 1.

4. Собирается схема духполупериодного выпрямителя со средней точкой, для этого к схеме однополуперионого выпрямителя добавляется диод VD2 и проводником соединяют точку Х2 с блоком питания ИП ~15В.

5. По пунктам 2, 3 данной работы снимают внешнюю характеристику двухполупериодного выпрямителя со средней точкой, данные заносят в таблицу 2, аналогичную таблицу 1.

6. По данным таблицы 1, 2 построить графики внешних характеристик.

7. Для каждой внешней характеристики рассчитать внутреннее сопротивления выпрямителей при токе нагрузки I_н=10 мА.

 

 

Таблица 1

 

Iн (мА)   Uн (В)
а	при R1=200 Ом С1=С2=50 мкФ
б	при R1=100 Ом С1=С2=50 мкФ
в	при R1=200 Ом С1=С2=0 мкФ
г	при R1=100 Ом С1=С2=0 мкФ

 

8. Сделать выводы по полученным результатам.

9. Ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы.

 

1. В чем состоит основной принцип работы выпрямителя?

2. Когда используют однополупериодный выпрямитель?

3. Что такое коэффициент пульсаций?

4. Для чего используют фильтры в выпрямителях?

5. Что такое коэффициент сглаживания?

6. Почему емкость фильтра подключают параллельно нагрузке?

7. Почему индуктивность фильтра включают последовательно с нагрузкой?

8. Что такое внешняя характеристика выпрямителя?

9. Чем определяется наклон внешней характеристики?

10. С каким фильтром выпрямитель обладает наиболее мягкой внешней характеристикой?

11. Чему равен коэффициент сглаживания многозвенного фильтра?

12. Как можно повысить коэффициент сглаживания фильтра?