ЛабораторнОЕ ЗАНЯТИЕ №10

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ И СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ

Цель занятия: 1. Изучить схемы построения выпрямителей и принцип их работы.

2. Измерить основные параметры выпрямителей- постоянную составляющую выпрямленного тока, коэффициент пульсаций и влияние на них сглаживающего фильтра.

3. Построить нагрузочную характеристику выпрямителя и визуально исследовать осциллограммы напряжений на входе и выходе выпрямителя с помощью электронного осциллографа.

Рекомендуемая литература 1) курс лекций; 2) (1) стр. 525 — 541; №) (2) стр. 98 — 118.

Перечень приборов:

1. Лабораторный стенд.

2. Блок № 8.

3.Соединительные провода.

4. Электронный осциллограф.

Контрольные вопросы.

1.Объясните вид осциллограммы выпрямленного напряжения
однополупериодного выпрямителя.

2.Проведите сравнительную оценку схем двухполупериодных выпрямителей (с выводом средней точки и мостовой).

3.Как изменяемся коэффициент сглаживания при увеличении числа звеньев фильтра?

4.Сделать вывод о влиянии нагрузки на величину пульсации и

сглаживающие свойства фильтров.

5. Дать определение коэффициентов пульсации и сглаживания.

Краткие теоретические сведения

Выпрямительные устройства предназначены для преобразования переменного тока в ток одно­го направления. В общем случае выпрямительное устройство, час­то называемое просто выпрямитель, включает в себя силовой трансформатор, вентиль, сглаживающий фильтр и стабилизатор (рис.1).

Трансформатор Тр предназначен для преобразования перемен­ного напряжения одной величины, например 220 В, в перемен­ное напряжение другой величины, обеспечивающее необходимое постоянное напряжение на выходе выпрямителя, например 20 В. Вентиль В преобразует переменное напряжение в пульсирующее, сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсации выпрямленного напряжения, стабилизатор СТ поддерживает неизменным напря­жение или ток нагрузки R_H. Отдельные из перечисленных узлов выпрямителя могут отсутствовать.

Известны два основных типа выпрямителей — однополупериодный и двухполупериодный. В зависимости от количества фаз пи­тающей сети выпрямители подразделяют на однофазные и трех­фазные, выпрямители могут быть управляемыми и неуправляе­мыми. В управляемых выпрямителях величина выпрямленного на­пряжения может регулироваться. Для питания большинства элек­тронных устройств используются более простые неуправляемые выпрямители.

Основными элементами выпрямителя являются вентили — не­линейные элементы, проводимость которых зависит от полярнос­ти приложенного напряжения. В основном, в качестве вентилей используются полупроводниковые диоды. Вольтамперная харак­теристика (ВАХ) диода приведена на рис.2, а.

Основными электрическими параметрами выпрямителей яв­ляются:

U_н.ср (или U₀)— среднее выпрямленное напряжение на нагрузке;

/_н.ср (или I₀) — средний выпрямленный ток нагрузки;

p= U_осн..max/U_н..ср — коэффициент пульсации выпрямленного на­пряжения (здесь U_осн..max — амплитуда основной гармоники вы­прямленного напряжения);

f_n — частота основной гармоники выпрямленного напряжения (напряжения пульсации).

Однополупериодный выпрямитель. Схема включения однополупериодного выпрямителя приведена на рис.2,б. Переменное напряжение со вторичной обмотки трансформатора u₂ подается в цепь из последовательно соединенных диода Д и нагрузочного резистора R_н. При положительном полупериоде напряжения диод открыт и через нагрузку течет ток, при отрицательном — диод закрыт и ток в нагрузке отсутствует.

Выпрямленное напряжение и_нможно представить в виде сум­мы постоянной U_н.ср и переменной и_псоставляющих (рис.2,в). Основные параметры однополупериодного выпрямителя:

U_н.ср=U_2max/π =0,32U_2max= 0,45U₂ ; f_п= f ; p=1,57.

где U₂ — действующее значение переменного напряжения на входе выпрямите­ля; f— частота переменного напряжения, р =U_1max/U_н.ср — коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения ( U_1max — амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения на нагрузке).

Двухполупериодный выпрямитель. Такой выпрямитель состоит из четырёх диодов,

включенных по мостовой схеме (рис. 3,а). Кривые изменения напряжения u₂ питающей сети, токов диодов, напряжения на нагрузке показаны на рис. 3, б

При положительном полу периоде напряжения диоды Д2 и Д4 открыты и пропускают ток в нагрузку. Диоды Д1 и ДЗ в этот мо­мент закрыты. При наступлении отрицательного полу периода на­пряжения диоды Д2 и Д4 закрываются, но открываются диоды Д1 и ДЗ, в результате чего ток продолжает протекать через нагрузку в том же направлении.

Основные параметры двухполупериодного выпрямителя:

U_н.ср=2U_{2 max}/π = 0,64U_2max= 0,9U₂ ; f_п= 2 f; p=0,66.

По сравнению с однополупериодным выпрямителем двухполупериодный обеспечивает большее значение среднего выпрям­ленного напряжения на нагрузке, меньшую амплитуду пульса­ций и большую их частоту, что облегчает задачу их подавления сглаживающими фильтрами. Как правило, однополупериодные выпрямители применяются для питания нагрузки малой мощно­сти.

Сглаживающие фильтры. Для подавления переменной состав­ляющей выпрямленного напряжения между вентилем и нагруз­кой устанавливают сглаживающие фильтры. Основным парамет­ром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S_ф. Он определяется отношением коэффициентов пульсаций на его входе и выходе:

S_ф=р_вх/р_вых

Для питания целого ряда электронных устройств коэффициент пульсаций на выходе блока питания не должен превышать 10^-6, что требует установки фильтров с большим коэффициентом сгла­живания.

Простейшими сглаживающими фильтрами являются индуктив­ный и емкостной.

Индуктивный фильтр (рис.4,а) состоит из дросселя, ко­торый включается последовательно с нагрузкой Rн. Значитель­ное индуктивное сопротивление X_L=2πf_пLсущественно снижа­ет переменную составляющую напряжения, практически не из­меняя постоянной, так как активное сопротивление Rдросселя невелико.

С достаточной точностью можно принять S_ф=2πf_пL_др/R. Ин­дуктивные фильтры применяются обычно в мощных низкоомных цепях.

Емкостный фильтр (рис.4,б) представляет собой конденса­тор, включенный параллельно нагрузке. В этом случае из-за зна­чительной емкости ёмкостное сопротивление конденсатора для переменной составляющей напряжения мало (Х_с= 1/(2πf_пС) <<R_н ) и оно шунтирует сопро­тивление нагрузки, пропуская через себя лишь переменную со­ставляющую. Постоянная составляющая напряжения оказывается приложенной к нагрузке.

Основное применение емкостные фильтры нашли в маломощ­ных высокоомных цепях.

Для обеспечения высококачественного сглаживания индуктив­ный и емкостный фильтры объединяют, получая Г- образный LC-фильтр (рис.5,а). Коэффициент сглаживания фильтра в этом случае равен произведению коэффициентов сглаживания его звеньев. В маломощных источниках применяют Г — образный RC-фильтр (рис.5, б).

Проверка знаний.

1. Каково соотношение между прямым R_при обратным со­противлением R_обр полупроводникового диода?

1 . R_пр> R_обр ; 2.R_п<R_обр; 3. R_пр ~ R_обр ; 4. R_пр << R_обр .