Выпрямители используются для преобразования переменного напряжения электрической сети в постоянное. В настоящее время практически всегда используются выпрямители на полупроводниковых приборах. Еще несколько лет назад на входе большинства выпрямителей включался трансформатор. Он использовался для повышения или понижения напряжения сети до величины, необходимой для получения на выходе выпрямителя требующейся величины выпрямленного напряжения. Недостатками такой схемы построения выпрямителя являлся большой вес и габариты входного трансформатора, а также низкий кпд выпрямителя, равный 40…50%.
В настоящее время наибольшее распространение получили импульсные выпрямители, состоящие из мостового входного выпрямителя без входного трансформатора, инвертора и выходного выпрямителя. При такой схеме построения отпадает необходимость во входном трансформаторе, а благодаря импульсному режиму работы удается увеличить кпд выпрямителя до 90…95%.
При этом в выпрямителях, питающихся от однофазной электрической сети, входной выпрямитель, как правило, выполняется по мостовой схеме. На выходе мостового выпрямителя формируется выпрямленное напряжение постоянной величины. Затем это напряжение подается на инвертор, преобразующий его в последовательность импульсов, следующих с частотой повторения, равной нескольким десяткам килогерц. Ширина импульсов на выходе инвертора может изменяться в широких пределах, что позволяет получить на выходе выпрямителя постоянное напряжение различной величины. С выхода инвертора импульсы подаются на импульсный выпрямитель и затем на фильтр нижних частот. По таком принципе строятся в настоящее время вторичные источники питания ЭВМ.
Для облегчения понимания принципов построения и работы выпрямителей целесообразно начать с рассмотрения простого однофазного, однополупериодного выпрямителя на одном полупроводниковом диоде. На рис. 6.1. приведены принципиальная схема и временные диаграммы токов и напряжений простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя с конденсатором Сф, включенном параллельно резистору нагрузки (Rн).
6.1.Принципиальная схема и временные диаграммы токов и напряжений однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром.
Рассмотрим работу выпрямителя в установившемся режиме. Ток через диод (iа) начинаетпротекать, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора (U2) становится больше напряжения на конденсаторе (Uc), что соответствует интервалам времени t1-t2 и t3-t4.За это время t1-t2 происходит заряд конденсатора Сф. Как правило постоянная времени заряда конденсатора τзар=Rд*Cф выбирается таким образом, что конденсатор успевает зарядится до величины, равной амплитудному значению напряжения Um2 на выходе вторичной обмотки трансформатора. При этом заряд конденсатора продолжается до величины Um2,а затем начинается его разряд, так как напряжение U2(t) оказывается меньше Uс. Однако в случаях, когда величина емкости Сф выбрана очень большой, постоянная времени заряда конденсатора (τар=Rд •Cф) оказывается соизмеримой с интервалом (t1 - t2). При этом конденсатор Сф не успевает зарядиться до амплитудного значения напряжения Um2 и его заряд продолжается после прохождения амплитудного значения Um2.Именно такой случай изображен на рис.6.1. Только с момента времени t2 напряжение U2 (t) становится меньше напряжения на конденсаторе Uc, диод запирается и конденсатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки RH.Время разряда конденсатора определяется постоянной времени (τраз= Rн•Сф) и, как правило, значительно больше, чем время заряда. К закрытому вентилю в это время прикладывается напряжение, максимальное значение которого почти равно удвоенному значению Um2.
К моменту времени t3 напряжение U2(t) вновь становится больше напряжения на конденсаторе (Uc), диод открывается и ток Iаначинает заряжать конденсатор C и т. д.
Существенным недостатком однополупериодных выпрямителей является неравномерная нагрузка сети переменного тока, так как выпрямители этого типа потребляет электроэнергию только во время положительного или отрицательного полупериода переменного напряжения.
Поэтому, как правило, для получения постоянного напряжения используются двухполупериодные выпрямители, равномерно загружающие электрическую сеть. Примером такого выпрямителя является мостовой, в котором для получение выпрямленного напряжения используются четыре диода.
На рис.6.2. приведена принципиальная схема однофазного двухполупериодного выпрямителя, собранного по мостовой схеме. На этом же рисунке приведены временные диаграммы, поясняющие работу выпрямителя.
Рис.6.2. Принципиальная схема мостового двухполупериодного выпрямителя (а) и временные диаграммы (б,в,г), поясняющие происходящие процессы.
В рассматриваемой схеме переменное напряжение сети U1 с помощью трансформатора изменяется (увеличивается или уменьшается ) до величины, определяемой требованиями к величине выпрямленного напряжения. С вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение U2(t) подается на мостиковый выпрямитель. В течение положительного полупериода напряжения U2(t) могут быть открыты диоды В1 и ВЗ, а диоды В2 и В4 закрыты. В течение отрицательного полупериода U2(t) диоды В1, ВЗ, закрыты, а могут быть открыты диоды В2. В4. При замкнутом переключателе (S), как и в однополупериодном выпрямителе, диоды открываются только в те интервалы времени, когда U2(t) больше Uс(t)
В результате через диоды протекает импульсный ток id (см. рис. 6.2. в), заряжающий конденсатор Сф. За время протекания тока Сф заряжаетсядо напряжения Uс, которое равно или несколько меньше максимального напряжения Um2. Отличие Uс от Um2 обычно не очень велико. После того, как U2(t) становится меньше Uс, ток id(t) прекращается и конденсатор начинает разряжаться через сопротивление Rн (см.рис.6.2.в). Зависимость от времени тока(Iн), протекающего через сопротивление нагрузки, приведена на рис.6.2.г. На рисунке 6.2.в пунктиром изображена также временная диаграмма изменения тока id(t) при разомкнутом переключателе S.
Как видно из рассмотрения временных диаграмм, при отключенном конденсаторе на нагрузке образуется пульсирующее напряжение. Включение конденсатора делает напряжение на нагрузке более сглаженным. Чем больше величина конденсатора, тем сильнее сглажено напряжение на нагрузке. Поэтому на выходах выпрямителей, используемых в ЭВМ, обычно включают конденсаторы, емкость которых составляет доли Фарады.
В тех случаях, когда необходимо уменьшить пульсации напряжения, на выходе выпрямителя включают дополнительные фильтры нижних частот. Существенно можно уменьшить пульсации на выходе выпрямителя также при использовании стабилизаторов напряжения.
Обычно фильтры нижних частот строят на основе катушек индуктивности и конденсаторов, сопротивление которых зависит от частоты проходящего через них тока. У индуктивных катушек активное сопротивление постоянному току мало, а индуктивное сопротивление переменного току линейно увеличивается с ростом частоты (ХL=wL). При включении катушки индуктивности последовательно с нагрузкой, падение напряжения на нагрузке от переменной составляющей тока снижается, т.е. пульсации выпрямленного тока уменьшаются. Сопротивление конденсатора переменному току уменьшается с ростом частоты (Хс=1/wС). Поэтому сопротивление конденсатора переменной составляющей тока значительно меньше, чем постоянной, в результате этого пульсация выпрямленного напряжения уменьшается.
Эффективность работы сглаживающего фильтра оценивается коэффициентом сглаживания Кс=Кп. вх / Кп. вых.
Коэффициенты пульсаций Кп равны отношению амплитуд переменной составляющей выпрямленного напряжения (Um~) к постоянной составляющей, равной среднему значению выпрямленного напряжения (Uср.)
Kп=Um~ / U ср.
Если требуется обеспечить более высокий коэффициент сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, используются более сложные фильтры нижних частот; Г-образные LC или RC типа (см. рис.6.3.).
Рис. 6.3. Схема Г-образных фильтров LC и RC типа.
В результате падения напряжения на индуктивной катушке LФ значительно уменьшается доля переменной составляющей выпрямленного напряжения. Падения напряжения от постоянной составляющей тока практически нет, так как активное сопротивление индуктивной катушки мало. В маломощных выпрямителях вместо катушки индуктивности (см. рис.6.3) включают резистор Rф.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СТЕНДА. Структурная схема модели стенда исследования однофазного мостового выпрямителя приведена на рис.6.4.
Рис.6.4.Структурная схема модели стенда, используемого при исследовании однофазного мостового выпрямителя.
На структурной схеме стенда изображены:
-Генератор однофазного переменного напряжения Vг=50V/50Hz.
- Переменный резистор [R] 5,0 Ohm./1%
-Однофазный трансформатор c коэффициентом трансформации n12= 5/1.
-Вольтметр Vас, измеряющий напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
-Мостиковый выпрямитель на четырех полупроводниковых диодах1N4001.
-Вольтметр V3, измеряющий выпрямленное напряжение на входе выпрямителя.
-Фильтр нижних частот, состоящий из индуктивности L и емкости C.
-Вольтметр V4,измеряющий среднее постоянное напряжение после фильтра нижних частот.
-Сопротивление нагрузки, состоящее из двух резисторов: постоянного (Rsc=10 Оhm) и переменного RL (Load), равного 100 Ohm;
-Осциллограф, на экране которого можно наблюдать форму напряжения в различных точках схемы.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с моделью стенда и порядком проведения измерений.
Подготовить исходные материалы для составления отчета по работе. Для чего на отдельных листках бумаги заполнить титульный лист с фамилией. именем и отчеством студента, выполняющего лабораторную работу. Затем написать название дисциплины, название лабораторной работы и выписать основные расчетные формулы.
3. Включить компьютер, запустить на выполнение программу «Eleсtronics Workbench» и открыть файл «Lab.6.ewb», размещенный в папке «Электротехника и электроника», вложенной в папку «Лабораторные работы».
4. Вычертить с помощью линейки с экрана монитора структурную схему модели стенда.
5. Установить напряжение генератора, равным Vr=75 В, а движок переменного резистора [R] 5,0 kOhm, включенного в первичной обмотке трансформатора, поставить в положение 2%. Записать показания вольтметров V ас, V3, V4 в табл.6.1.
Измерения провести для трех значений сопротивлений нагрузки Rн = Rcs+RL, равных 10, 50 и 100 Ом. По результатам измерений построить зависимость Uвых=U4 =F (Iн), протекающего через полное сопротивление нагрузки (Rн = Rcs+RL).Ток нагрузки рассчитать для каждого значения Rн по формуле Iн = U4 / Rн = U4/Rcs+RL.
Табл. 6.1.
| Uас | U3 | U4 | Rcs | RL | Rн= Rcs +RL | Iн= U4/Rcs+ RL |
| В | В | В | Ом | Ом | Ом | A |
6. Измерить коэффициенты пульсаций для напряжений перед и после фильтра нижних частот. Для этого, пользуясь калибровочной шкалой осциллографа, по изображению напряжений на экране определить амплитудные значения переменных составляющих напряжений на входе и выходе L-C фильтра Vm~вх., Vm~вых и средние значения напряжений Vср.вх.,Vср.вых. до и после фильтра нижних частот (L,С).
Измерения провести для трех значений C=1 μF, C =30 μF, C =100 μF. Результаты измерений свести в таблицу 6.2.
7. Вычертить с соблюдением масштабов по оси напряжений и оси времени осциллограммы напряжений на выходе фильтра нижних частот для случаев, когда C=1,0 μF, C=30 μF и C=100 μF.
8. Рассчитать значения коэффициентов пульсации Кп.вх=Um~вх/Uср.вх и Кп.вых=Um~вых /Uср.вых и значения коэффициента сглаживания Кс=Kп.вх/Kп.вых для всех трех случаев. Записать результаты расчетов в табл.6.2.
Табл.6.2.
| Ur | Um~вх | Uср.вх | Kп.вх | Um~вых | Uср.вых. | Kп.вых | Кc | |
| В | В | В | В | В | ||||
| L= С=1,0 μF | ||||||||
| L= C=30 μF | ||||||||
| L= C=100 μF |
6.5. СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ. Отчет должен содержать:
1. Титульный лист с названием университета, факультета, кафедры, курса, специальности, дисциплины, работы и фамилии, имени и отчества студента.
2. Цель работы.
3. Структурную схему модели лабораторного стенда, вычерченную с помощью линейки.
4. Таблицы 6.1. и 6.2., содержащие результаты измерений и расчетов.
5.Зависимость Uвых.= U4 = F (Iн).
7. Осциллограммы напряжений на выходе фильтра нижних частот для трех случаев, когда и C =1,0 μF C =30 μF и C =100 μF. На осциллограммах должны быть нанесены оси времени и оси напряжений. На осях должны быть обозначения измеряемые величины и масштабные метки.
6. Выводы.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7
