Исследование управляемого однополупериодного выпрямителя, сглаживающих фильтров

Лабораторная работа № 13

Цель работы: ознакомление с работой управляемого выпрямителя; исследование сглаживающих фильтров; исследование осциллограмм управляемого выпрямителя и сглаживающих фильтров, снятие нагрузочной характеристики выпрямителя.

Оборудование и аппаратура:

1. Лабораторный макет № 13.

2. Осциллограф типа С1 - 72.

3. РV1 - вольтметр переменного тока 15В.

4. РV2 - вольтметр постоянного тока 30В.

5. РА1 - миллиамперметр постоянного тока 50мА.

Методические указания:

Напряжение на выходе вентильного блока любого выпрямителя всегда является пульсирующим и содержит кроме постоянной еще и переменные составляющие. Питание от выпрямителей многих электронных приборов (например, радиоприемников, магнитофонов с микрофонами, измерительных усилителей и т. д.) возможно лишь достоянным током с коэффициентом пульсаций около 10 ^{– 5} - 10 ^{- 2} %. Пульсирующее напряжение производит вредные эффекты, нарушающие нормальную работу устройств. Сглаживающие фильтры предназначаются для подавления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потребителя. Фильтры включаются между блоком вентилей и нагрузкой. Сглаживающие фильтры подразделяются на пассивные и активные (электронные). Пассивные фильтры применяются наиболее часто. Они состоят из звеньев, образованных последовательно - параллельным соединением индуктивных катушек L, конденсаторов С и резисторов R. Электронные фильтры содержат, кроме того, усилительные элементы — транзисторы или электронные лампы.

К фильтру предъявляется основное требование: при минимальных собственных размерах и массе максимально уменьшить переменную составляющую выпрямленного напряжения, не увеличивая при этом сопротивление постоянной составляющей. Эффективность сглаживания пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания, который представляет собой отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе

q = К_п,_вх / К_п,_вых.

В зависимости от числа элементов и схемы их соединения различают простые и сложные пассивные сглаживающие фильтры. Схемы первых не содержат в своем составе колебательных контуров, а схемы сложных фильтров - содержат. Из простых фильтров наибольшее распространение получили однозвенные Г- и П- образные фильтры. Схемы некоторых простых фильтров приведены на рис. 13.1. Емкостный фильтр (рис. 13.1, а) состоит из конденсатора, подключаемого параллельно нагрузке; применяется в маломощных цепях. Процесс сглаживания пульсаций емкостным фильтром показан на рис. 13.2. Положительные полуволны напряжения, выпрямленного однофазным однополупериодным выпрямителем, разделены паузами. Конденсатор запасает энергию в те промежутки времени, когда открывается вентиль и нарастает напряжение; увеличение напряжения и_с (заряд) происходит по экспоненциальному закону (линия u_з). Когда же положительная полуволна напряжения спадает, конденсатор разряжается, т. е. возвращает накопленную энергию в цепь с нагрузкой R_н. Коэффициент пульсации при этом зависит от сопротивления нагрузки: линия u_р1 соответствует малой (R_н→ ∞), u_р2 - номинальной, u_р3 - большой нагрузкам (R_н→0). Емкостное сопротивление уменьшается с ростом частоты, поэтому

Рисунок 13. 1. Варианты сглаживающих фильтров. а — емкостный; б — индуктивный; в — Г- образный; г — П -образный.

переменная составляющая пульсирующего тока замыкается через конденсатор, а постоянная составляющая поступает на нагрузку. Для лучшего сглаживания пульсаций емкостное сопротивление должно быть значительно меньше активного сопротивления нагрузки х_с = 1/ωС <<R_н. Из этой формулы можно определить емкость фильтрующего конденсатора С.

Рисунок 13. 2. Сглаживание пульсаций конденсатором.

Недостатками емкостного фильтра считают малую его эффективность при больших токах нагрузки, увеличение обратного напряжения на вентилях и др. Индуктивный фильтр представляет собой дроссель низкой частоты L, включенный между вентильным блоком выпрямителя и нагрузкой (см. рис. 13. 1,6). Дроссель обладает большим индуктивным сопротивлением x_L= ωL, и процесс сглаживания пульсаций заключается в том, что на дросселе падает большая часть переменной составляющей выпрямленного напряжения, а постоянная составляющая проходит почти беспрепятственно. Чтобы получить малый коэффициент пульсаций на выходе фильтра, индуктивное сопротивление дросселя должно быть значительно больше сопротивления нагрузки, т. е. x _L= ω_1г >>R_H. Индуктивность дросселя L можно определить по упрощенной формуле L = qR_H /ω_1г, где q — заданный коэффициент сглаживания, R_Н — сопротивление нагрузки, которое должно быть значительно больше активного сопротивления дросселя R_ДР, и ω_1г = 2π f_1г - частота первой (основной) гармоники пульсаций. Индуктивный фильтр часто применяется в выпрямителях средней и большой мощности (от нескольких киловатт и более). В маломощных выпрямителях фильтры с дросселями применяют редко из-за значительных габаритов

и массы. Другим недостатком такого фильтра считается резкое повышение ЭДС самоиндукции при обрыве цепи нагрузки или прерывистом токе нагрузки. Г- образный сглаживающий фильтр (см. рис. 13. 1, в) сочетает в себе свойства индуктивного и емкостного фильтров. Дроссель, включенный последовательно с нагрузкой, и конденсатор, шунтирующий нагрузку, называют однозвенным Г-образным фильтром; его можно рассматривать как делитель напряжения с частотно-зависимым коэффициентом передачи. Г- образный фильтр обеспечивает эффективное сглаживание пульсаций, если индуктивное сопротивление для первичной гармоники выпрямленного напряжения в 5-10 раз больше, а емкостное во столько же раз меньше, чем сопротивление нагрузки: ωL >> R_H >> 1 /ωC. Общий коэффициент сглаживания равен произведению коэффициентов сглаживания L- и С- элементов:

q ≈ q_Lq_C = (ωL / R_н) ωCR_н = ω²LC.

 

Если известны емкость конденсатора, коэффициент сглаживания пульсаций и частота первой гармоники, то разные LС -фильтры используют в выпрямителях средней и большой мощности. В маломощных выпрямителях с целью уменьшения массы и габаритов фильтра вместо дросселя часто устанавливают резистор. П- образный фильтр применяют в случаях, когда коэффициент сглаживания однозвенного фильтра оказывается недостаточным. Схема П- образного фильтра (рис.13. 1, г) начинается с конденсатора С₁ , за которым следует Г- образный LC-фильтр. Коэффициент сглаживания П- образного фильтра равен произведению коэффициентов емкостного и Г- образного фильтров q ≈ q_C q_Г.

 

 

Рисунок 13. 3.

 

 

Порядок выполнения работы:

 

1. Собрать исследуемую схему однополупериодного выпрямителя с емкостным сглаживающим фильтром (рисунок 13. 3).

2. Включить однополупериодный выпрямитель тумблером "Вкл" и снять осциллограмму выпрямленного сигнала. Перечертить в тетрадь.

3. Подать переменное напряжение на выпрямитель, для чего включить тумблер "~15 В". Ручкой установить максимальное напряжение.

4. R_УПР установить в среднее положение. Отключить конденсаторы С1 и С2 на выпрямителе с помощью тумблеров "ВКЛ. / ВЫКЛ".

5. Измерить ток нагрузки I_Н , напряжение нагрузки U_Н. Ток измерять прибором РА1, напряжение РV2.

6. С помощью осциллографа зарисовать осциллограммы напряжения на входе и выходе выпрямителя. Измерить с е помощью осциллографа напряжение пульсаций U_Н ~.

7. Включить на выпрямителе конденсатор С1 и повторить п.5,6.

8. Отключить конденсатор С1 и включить С2 на выпрямителе; повторить п.5,6.

9. Включить конденсаторы С1 и С2 выпрямителя и повторить п.5,6.