Практическая работа №16

Тема: «Исследование однополупериодной и мостовой схем выпрямителей и сглаживающих фильтров.»

Цель работы: ознакомиться со схемами выпрямителей и сглаживающих фильтров. Исследовать работу выпрямительного устройства с переменной нагрузкой.

Общие сведения

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-nпереходом и двумя выводами. По функциональному назначению диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы, туннельные, фотодиоды, светодиоды идр.

1. Схемы выпрямителей переменноготока

Основным элементом выпрямительного устройства является полупроводниковый диод – прибор, обладающий односторонней проводимостью. Для выпрямителей однофазного переменного тока наиболее широко используют два типа выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодный (мостовой).

Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис.3.1.

Рисунок 3.1 – Схема однополупериодного выпрямителя

Ток в нагрузочном резисторе Rн появляется только в те периоды времени (или те полупериоды напряжения U), когда потенциал точки «а» положителен по отношению к потенциалу точки «в», т.к. вэтомрежимевентильоткрыт.Когдажепотенциалточки«а»отрицателен по отношению к потенциалу точки «в» – вентиль закрыт, ток в нагрузке равен нулю. Таким образом, ток в резисторе имеет пульсирующий характер (рис.3.2).

Рисунок 3.2 – Временные диаграммы напряжений однополупериодного выпрямителя

Недостатком однополупериодного выпрямителя является высокий уровень пульсации. Этого недостатка несколько лишен двухполупериодный выпрямитель, в котором используются оба полупериода напряжения сети. Наиболее распространена схема мостового выпрямителя (рис.3.3). К одной из диагоналей моста VD1-VD4 под- ведено переменное напряжение от сети, к другой диагонали подключен нагрузочный резистор.

Рисунок 3.3 – Схема двухполупериодного мостового выпрямителя

В течение первого полупериода напряжение сети U, когда потенциал точки «а» положительный по отношению к потенциалу точки «в», диоды VD1 и VD3 открыты, и через нагрузку Rн протекает ток Iн. В это время диоды VD2, VD4 закрыты. В другой полупериод, когда потенциал точки «а» отрицателен диоды VD2, VD4 от- крыты, а диоды VD1, VD3 закрыты. Ток через нагрузочный резистор Rн имеет то же направление, что и в предыдущий полупериод напряжения сети (рис.3.4).

Рисунок 3.4 – Временные диаграммы напряжений мостового выпрямителя

Анализ временных диаграмм показывает, что схема мостового выпрямителя по сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя имеет то преимущество, что среднее напряжение Uн.ср (а следовательно, и ток) в два раза больше, а пульсации значительно меньше.

Сглаживающиефильтры

Как видно из диаграмм напряжений, выпрямленное напряжение на нагрузке имеет пульсирующий характер и является периодическим несинусоидальным напряжением. Оно может быть разложено в ряд на постоянную и гармоническую составляющие. Частота первой (основной) гармоники для однополупериодного выпрямителя равна частоте выпрямленного напряжения (для сети – 50 Гц), а для двухполупериодного выпрямителя – удвоенной частоте выпрямленного напряжения.

Амплитуда основной гармоники значительно превышает амплитуды других гармоник. Поэтому за коэффициент пульсации Рпринимают отношение амплитуды основной гармоники выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей

Для однополупериодных выпрямителей без фильтра Р= 1,5 для двухполупериодныхР =0,67.

Коэффициент пульсации напряжения, питающего электронные устройства должен составлять 10-4…10-7. Таким образом, напряжение, полученное непосредственно с выхода выпрямителя нельзя использовать в качестве питающего напряжения.

Для снижения пульсации до требуемой величины применяют сглаживающие фильтры. Простейшим сглаживающим фильтром является конденсатор. Существуют различные схемы сглаживающих фильтров с использованием активных сопротивлений и конденсаторов, так называемые Г- и П-образные фильтры.

Эффективность фильтров оценивается коэффициентом сглаживания q, равным отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра

Для однополупериодных выпрямителей без фильтра Р= 1,5 для двухполупериодныхР =0,67.

Коэффициент пульсации напряжения, питающего электронные устройства должен составлять 10-4…10-7. Таким образом, напряжение, полученное непосредственно с выхода выпрямителя нельзя ис- пользовать в качестве питающего напряжения.

Для снижения пульсации до требуемой величины применяют сглаживающие фильтры. Простейшим сглаживающим фильтром является конденсатор. Существуют различные схемы сглаживающих фильтров с использованием активных сопротивлений и конденсаторов, так называемые Г- и П-образные фильтры.

Эффективность фильтров оценивается коэффициентом сглаживания q, равным отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра

Емкость фильтра Сф включается параллельно нагрузочному резистору Rн (рис.3.5). При таком включении конденсатор Сф заряжается через диод VD, до амплитудного значения напряжения Um (рис.3.6). Когда напряжение на вентиле начинает убывать конденсатор Сф разряжается через нагрузку Rн.

Рисунок 3.5 – Схема включения емкостного фильтра

На рис.3.6 показаны упрощенные временные диаграммы напряжений выпрямителей с емкостным фильтром. Время t1 соответствует начальному периоду, когда выпрямитель подключается к сети. Конденсатор к концу первой части периода заряжается до амплитудного значения Um. Во время второй четверти и части третьей четверти (рис.3.6,б) и второй четверти и второго полупериода переменного напряжения (рис.3.6,б) конденсатор разряжается через нагрузку Rн, т.е. отдает часть запасенной электрической энергии в нагрузку (интервал t2).

Рисунок 3.6 – Временные диаграммы напряжений выпрямителей с емкостным фильтром: а – однополупериодного; б – двухполупериодного

В конце временного интервала t2 напряжение UC= Uн несколько снижается: у однополупериодного больше, а у двухполупериодного – меньше. В период времени t3 происходит процесс зарядки конденсатора Сф т.к. диод в этот момент открывается, и электрическая энергия вновь подается на Сф и Rн от сети.

Из рисунка видно, что при включении емкостного фильтра напряжение Uн не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения. Если сопротивление Rн уменьшить (т.е. увеличить Iн), то пульсации на нагрузке и Сф увеличатся.

Обычно емкость Сф выбирают такой величины, чтобы для основной гармоники выпрямленного напряжения сопротивление конденсатора было много меньше Rн, т.е.:

Существуют более сложные схемы фильтров для выпрямите- лей. Таким, например, является Г-образный RC-фильтр (рис.3.7). Этот фильтр обычно применяется, когда ток в нагрузке не превышает нескольких десятков миллиампер.

Существуют более сложные схемы фильтров для выпрямите- лей. Таким, например, является Г-образный RC-фильтр (рис.3.7). Этот фильтр обычно применяется, когда ток в нагрузке не превышает нескольких десятков миллиампер.

Рисунок 3.7 – Схема Г-образногоRC-фильтра

Схема Г-образного фильтра позволяет получить значительно меньшие пульсации напряжения на нагрузке, чем применение про-стейшего емкостного фильтра.

Порядок выполнения работы

Перечень приборов:

• модуль для исследования выпрямительногоустройства;
• комбинированный измерительный прибор – 2 шт;
• генератор импульсов FG-32;
• осциллографGOS-620.

1. Исследование схемы однополупериодноговыпрямителя

1. Подготовить генератор импульсов FG-32 кработе:

• при помощи ручки «FUNCTION» установить синусоидальную формуимпульса;
• при помощи ручек «RANGE» и «FREQUENCY» установить частоту 50…100Гц;
• установить        максимальную        амплитуду,        повернув        ручку

«AMPL» по часовой стрелке до упора (ручка «OFSET» в нажа- том положении).

Собрать схему для исследования работы однополупериодного выпрямителя (рис.3.8). Включитьприборы.

Рисунок 3.8 – Схема для исследования однополупериодного выпрямителя

2. При разомкнутых переключателях S1-S5 зарисовать изображение форм напряжения на экранеосциллографа.
3. Включить S1 (емкостной фильтр С1). Дополнить предыдущий рисунок кривой напряжения, проходящей по вершинам полуволн. Показания приборов занесите в таблицу3.1.
4. Замкнуть S3 (нагрузка R1). Дополнить предыдущий рисунок ли-нией, изображающей пульсации напряжения на нагрузке (по ана- логии с рис.3.6). Показания вольтметра и миллиамперметра зане- сите в таблицу 3.1. Повторить предыдущие операции при допол-нительном подключении S4 и S5 (т.е. при увеличении тока в нагрузке).

Таблица 3.1

Результаты исследования однополупериодного выпрямителя

5. Параллельно конденсатору С1 подключить С2 (включить S2). Дополнить предыдущую осциллограмму кривыми пульсации при различных нагрузках. Данные измерения занести в таблицу3.1.

Таблица 3.2

Результаты исследования мостового выпрямителя

1. Построить (на одном графике) внешние характеристикиоднопо-

лупериодного и мостовоговыпрямителей:Uн        .

2. По полученным осциллограммам определить во сколько раз ве- личина пульсации напряжения на нагрузке (при включенном С1) в мостовом выпрямителе меньше, чем воднополупериодном.

Контрольные вопросы:

1. Какие элементы содержит выпрямительноеустройство?
2. Какова роль конденсатора, подключаемого параллельно сопротивлениюнагрузки?
3. Изобразить процесс сглаживания пульсаций напряжения в одно-полупериодном выпрямителе с простейшимфильтром.
4. Изобразить, что происходит на осциллограмме при увеличении нагрузки при включённом сглаживающем фильтре и безнего.