Ульяновский В.Н. Методичка к лабораторной работе - Исследование однопериодной схемы выпрямителя - файл n1.doc

Ульяновский В.Н. Методичка к лабораторной работе - Исследование однопериодной схемы выпрямителя
скачать (124.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc125kb.02.11.2012 12:11скачать

n1.doc

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ТЕМА: «ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОПОЛУПЕРИОДНОЙ СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЯ»
Для проведения лабораторной работы по теме «Исследование однополупериодной схемы выпрямителя» используется программа Electronik Workbench, которая позволяет на ПК построить электрическую схему и посмотреть на ее работу.
ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ: построить схему однополупериодного выпрямителя и исследовать его работу.
ХОД РАБОТЫ:
На рисунке 1 приведена схема электрическая принципиальная для однополупериодного выпрямителя.


Рисунок 1 - Принципиальная электрическая схема однополупериодного выпрямителя
Напряжение на входе выпрямителя будет определяться соотношением числа витков в первичной W1 и вторичной W2 обмотках трансформатора. Рассмотрим эпюры напряжений с I-го по IV-й полупериоды в различных точках схемы без ёмкости фильтра Сф и при этой ёмкости. Эпюры приведены на рисунке 2.


15в

Приложение А



Рисунок 2 - Эпюры напряжений
а
15в
) I-ый полупериод. Ёмкость фильтра не включена. Предположим, что в I-ый полупериод на верхнем выводе вторичной обмотки трансформатора плюс, а на нижнем минус напряжения Uw2, при этом (+) приложен к аноду диода, а отрицательный потенциал Uw2 через Rн - к катоду диода. При такой полярности приложенного к диоду напряжения он будет открыт, а через него протекать ток. Этот же ток будет протекать и через нагрузку Rн и создавать падение напряжения URн.

Так как сопротивление открытого диода очень мало, то его можно рассматривать, как закоротку, т.е. сопротивление Rн подключается параллельно вторичной обмотке трансформатора W2 и поэтому ток и напряжение на нагрузке повторяют форму напряжения на вторичной обмотке Uw2.

Так как сопротивление открытого диода не равно нулю, хотя и мало, то за счет протекающего через него тока, на диоде будет просматриваться небольшое напряжение Uд (в зависимости от типа диодов оно имеет значение от 0,1 до 1 В).

б) II-й полупериод. Полярность напряжения на вторичной обмотке меняется: у верхнего вывода на отрицательный, а у нижнего - на положительный потенциал. В этом случае к аноду диода приложен (-), а к катоду (+) через Rн. При такой полярности напряжения диод заперт, и ток, практически, близок к нулю. Поэтому падение напряжения на нагрузке стремится к нулю. Но, учитывая, что в закрытом состоянии через диод протекает тепловой ток, то на нагрузке Rн будет выделяться напряжение, отличное от нуля. Практически, это напряжение можно не учитывать, а к диоду будет приложено в этом случае обратное напряжение Uобр, равное Uw2.

в) III-й полупериод. Повторяется процесс, аналогичный процессу в первом полупериоде.

Приложение А

Если рассмотреть напряжение на нагрузке, то можно сделать вывод: из разнополярного напряжения получили однополярное. Полярность выходного напряжения показана на рисунке 4. Это достигнуто благодаря тому, что диоды проводят ток только в одном направлении. Но напряжение на нагрузке не остается постоянным во времени.

Д
15в
ля обеспечения постоянства напряжения во времени используются фильтры. Чтобы фильтры максимально уменьшали переменную составляющую и максимальным образом изменяли постоянную составляющую, их обычно составляют из реактивных элементов - емкостей и индуктивностей, обладающих малыми активными потерями. Кроме того, фильтры должны иметь малые размеры, вес и стоимость.

Схемы наиболее часто используемых в практике сглаживающих фильтров приведены на рисунке 3.


Р
Общ
исунок 3 - Схемы сглаживающих фильтров:

а - емкостной фильтр, б - индуктивный фильтр, в - Г-образный фильтр, г - П-образный (состоит из С и Г-образных) фильтр
И
15в
ногда встречаются многозвеньевые и специальные (например, резонансные) фильтры. При очень малых выпрямленных токах (до 10mА) целесообразно пользоваться Г-образным и RC-фильтром. В качестве простейшего фильтра используется конденсатор, который подключен параллельно выходу выпрямителя. Любой конденсатор обладает способностью накапливать электрическую энергию, а затем отдавать ее в нагрузку. Но необходимо помнить, что любые реактивные элементы (конденсаторы, индуктивности) не могут мгновенно как накопить энергию, так и отдать ее в нагрузку, т.е. обладают определенной инерционностью.

В нашем случае инерционность конденсатора проявится следующим образом. Так как конденсатор подключается параллельно выходу источника питания и параллельно Rн (рисунок 1).

Приложение А

Кривая заряда приблизительно соответствует экспоненте:



где Rзар = rд + r2 + r1*n2, a r2 и r1 в свою очередь - сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора, а rд - сопротивление открытого диода. Наклон экспоненты зависит от величины постоянной цепи заряда  зар = Rзар*C. Чем больше  зар или Rзар, или С, тем положе кривая:



где Rразр = Rн  (rзакр д + r2 + r1*n2)  Rн, т.к. rзакр д >> Rн.

В течение времени « o - m1» диод открыт. В момент « m1 » Cф=UW2 и эти напряжения оказываются включенными встречно, а напряжение, которое приложено к диоду на этом участке, равно разности (Uw2 - UСф). В точке m1 (Uw2 = UСф = 0), т.е. к диоду приложено нулевое напряжение. После точки m1 напряжение на вторичной обмотке W2 начинает падать. Напряжение же на конденсаторе фильтра уменьшиться мгновенно не может, т.е. после m1 Ucф > Uw2 . При этом положительный потенциал UСф приложен к катоду диода. Плюс (+) на катоде диода больше, чем положительный потенциал в верхней точке вторичной обмотки, к которой подключен анод диода. Диод закрывается, т.к. к нему приложена обратная полярность напряжения. Конденсатор начинает разряжаться через Rн и параллельную ветвь: запертый диод ? сопротивление вторичной обмотки трансформатора. Он же (конденсатор) поддерживает в течение некоторого времени напряжение на RH временно падающим.

В
15в
случае, когда Сф отсутствует, диод начинает открываться в момент времени k. Но когда Сф включена, то (в третий полупериод) диод будет открываться при UW2, превышающем оставшееся UСф, т.е. диод откроется в точке n1 и будет открыт до m2 и т.д.

Эпюры напряжения на элементах схемы, когда RH =  на рисунке 6. Для характеристики формы выходного напряжения используется коэффициент пульсаций. Принцип работы фильтра можно рассмотреть с другой точки зрения. Выходное напряжение с выпрямителя можно представить, разложив его в ряд Фурье, как сумму гармонических составляющих (рисунок 5).

а
15в
) Uвх;
Общ
б) постоянная составляющая; в) первая гармоника; г) вторая гармоника.

З
15в
адача фильтра заключается в том, чтобы на выход пропустить только постоянную составляющую, а переменную задержать. Выпрямитель совместно с Сф можно представить эквивалентной схемой (рисунок 6), где Rэкв - сопротивление, учитывающее сопротивление обеиих обмоток трансформатора и диода. Коэффициент передачи такой цепи можно записать следующим образом:

Приложение А



Рисунок 4 - Полярность выходного напряжения


Рисунок 5 - Выходное напряжение с выпрямителя в ряде Фурье


Рисунок 6 - Эквивалентная схема выпрямителя совместно с емкостным фильтром


Рассмотрим коэффициент передачи цепи для различных составляющих входного сигнала: a) для постоянной составляющей: W = 0, К = 1, т.е. Uвых = Uвх или постоянная составляющая полностью прошла через фильтр; б) для переменной составляющей: чем выше высота (больше номер гармоники), тем больше знаменатель. Коэффициент передачи K уменьшается и поэтому значение переменной составляющей на выходе значительно меньше, чем на входе. При достаточно большом значении емкости фильтра даже для первой гармоники, самой низкой частоты, коэффициент передачи очень мал, т.е. сигнал этой частоты на выход не пройдет (а более высокие частоты и тем более). Итак, схема пропустит только постоянную составляющую, что и требовалось получить. В практических схемах источников питания такая схема применяется очень редко, используются более сложные фильтры, которые позволяют обеспечить лучшую работу выпрямителя.

Приложение А

Для характеристики работы выпрямителя и фильтра вводят коэффициент пульсаций - Кп, который определяется как отношение напряжений переменных составляющих в выходном сигнале к постоянной составляющей. Определить коэффициент пульсаций можно по форме выходного напряжения (рисунок 7), где: 1 - это форма выходного напряжения на выходе источника питания; 2 - уровень постоянной составляющей в этом же выходном напряжении; U - значение постоянной составляющей напряжения, тогда:




Рисунок 7 - Форма выходного напряжения, где: 1 - это форма выходного напряжения на выходе источника питания; 2 - уровень постоянной составляющей в этом же выходном напряжении; U - значение постоянной составляющей напряжения
На значение коэффициента Кп оказывает влияние как значение Сф, так и ток, потребляемый нагрузкой. С увеличением Сф, Кп уменьшается, т.к. при большем Сф постоянная времени фильтра возрастает, фильтр становится более инерционным и меньше реагирует на изменения напряжения на входе. Те же выводы можно сделать из схемы замещения, учитывающей влияние нагрузки (рисунок 8).


Рисунок 8 - Схема замещения
Здесь Rэкв = Rэкв || Rн, когда

где К - коэффициент передачи цепи с нагрузкой. Реальное значение коэффициента пульсаций источника питания Кп = (0,01…5)%. В зависимости от типа применяемого фильтра можно в значительной степени варьировать Кп. Чтобы характеризовать фильтры, вводят коэффициент фильтрации и коэффициент сглаживания, который определяется: следующим образом:



Приложение А

Значение лежит в пределах 10…200 единиц. Чем больше Кф, тем лучше фильтр. Кроме этих параметров, для характеристики источника питания используются параметры:

1) значение выходного напряжения;

2) стабильность выходного напряжения;

3) максимальное значение тока, который может обеспечить источник питания;

4) ряд климатических и температурных параметров.

Рассмотренная схема однополупериодного выпрямителя, несмотря на простоту, обладает рядом недостатков:

1) поскольку диод работает в течение одного полупериода, во второй период трансформатор не используется;

2) по той же причине (работа в один полупериод) для обеспечения малого Кп на выходе необходимо использовать сложные фильтры;

3) обратное напряжение Uобр, на которое должны быть рассчитаны диоды в этой схеме, равно 2Um вых, т.е. Uoбp  2 * ?2 Uдейств, поэтому наиболее широкое распространение получили двухполупериодные выпрямители.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
1 Для схемы выпрямителя использовать:

а) источник переменного напряжения ИП, выходные клеммы которого  15вольт, общ. 15 вольт;

б) приборы для измерения тока нагрузки (R2, R3) 1-й постоянной составляющей выпрямленного напряжения Uo;

в) для наблюдения формы выходного напряжения и измерения переменной составляющей этого напряжения U подключить осциллограф к выходу выпрямителя. Данные измерений I, Uo, U занести в таблицу:
Таблица 1 - Результаты исследования




Без фильтра

2-х полупериодная с фильтром

Одно п/п с 2-мя диодами

2-х п/п со ср.т.

мостовая

С1

С1+С2

Г

П
























U 






















Uo






















Kп






















Kсгл























Приложение А

2 Для схем выпрямителя с фильтрами, напряжение U и Uo измерять для двух значений тока нагрузки: а) при Rн = R2+R3 и б) при Rн = R3. Эти данные нужны для построения графика зависимости (по двум токам для каждого типа фильтров С, Г и П-образного).

коэффициента сглаживания Ксогл = ѓ(Iн), ,

где Кп - коэффициент пульсаций .

3 Осциллограммы выходного напряжения со всеми исследуемыми фильтрами рисуются для максимального тока в нагрузке.

4 По результатам эксперимента сделать выводы о выпрямляющем действии разного вида схем выпрямителей и о качестве сглаживания переменной составляющей напряжения фильтрами.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1 Изобразить блок-схему выпрямительного устройства.

2 Привести схему однополупериодного выпрямителя (с одним диодом, с 2-мя диодами, используя схему макета).

3 Подтвердить идею выпрямления в однополупериодном выпрямителе, изобразив осциллограммы напряжений: входного, на диоде, на нагрузке.

4 Нарисовать схему двухполупериодного выпрямителя со средней заземленной точкой трансформатора. Показать замкнутые пути протекания тока в первый и второй полупериоды входного напряжения.

5 Привести осциллограммы напряжений: входного напряжения, напряжения на диодах, выходного напряжения (на UH).

6 Записать выражения для Uзаряда и Uразряда конденсаторов. Нарисовать графики кривых заряда и разряда. От чего зависит скорость заряда и скорость разряда конденсатора?

7 Чем отличаются кривые заряда и разряда емкости фильтра, если увеличить Сф? А если изменить Rзаряда? А если Rзаряда уменьшить?

8 Для чего применяются фильтры в выпрямителях?

9 Какие виды фильтров вам известны? Приведите их схемы.

10 Чем отличаются осциллограммы выпрямленного напряжения при использовании фильтра емкостного и Г- образного?

11 Изобразить осциллограммы выпрямленного напряжения при использовании П-образного фильтра. Что понимается под коэффициентом пульсаций и коэффициентом сглаживания? Как они определяются?
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1 Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982

2 Виноградов Ю.В. Основы электронной и полупроводниковой техники.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации