практикум по Электронике и МПТ 2 курс

определенной составляющей пульсаций переменного тока, которая зависит от схемы выпрямительного устройства. Для дальнейшего уменьшения переменной составляющей сигнала после выпрямителей обычно подключают различные схемы фильтров.

Основным элементом выпрямительных устройств являются вентили (диоды) приборы, обладающие односторонней проводимостью.

Известны различные типы вентилей: электронные, ионные, полупроводниковые и др. В настоящей работе изучаются только полупроводниковые вентили диоды.

Диод представляет собой пассивный нелинейный элемент с двумя выводами. Вольт-амперная характеристика диода приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода (а), его условное обозначение (б)

В условном обозначении направление стрелки диода (так обозначают анод (+) элемента) совпадает с направлением тока, второй вывод диода называют катод ( ) элемента. Если приложено положительное напряжение U АК 0, то диод работает в прямом направлении. При отрицательном напряжении UАК 0 диод заперт.

Обычно считается, что падение напряжения на диоде, обусловленное прямым током через него, составляет 0,5 – 0,8 В.Таким падением напряжения можно пренебречь, и тогда диод можно рассматривать как проводник, пропускающий ток только

11

водном направлении.

Взависимости от количества диодов и схемы их включения различают схемы однополупериодного и двухполупериодного выпрямления (подробнее эти схемы будут рассмотрены ниже).

ФИЛЬТР Ф устройство, предназначенное для уменьшения пульсаций переменной составляющей выпрямленного напряжения, а также для защиты потребителя электроэнергии от помех, поступающих из первичной сети. Кроме сглаживающих фильтров, в состав многих источников вторичного электропитания (ИВЭП) входят помехоподавляющие фильтры. Их основное назначение предотвращение проникновения электромагнитных сигналов, создаваемых ИВЭП, в сеть первичного источника электропитания. Фильтры выполняются на основе конденсаторов, дросселей и резисторов. Так же роль сглаживающих фильтров часто выполняют непрерывные стабилизаторы.

СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ СН – устройство,

поддерживающее неизменным напряжение постоянного или переменного тока при воздействии на источник вторичного электропитания различных возмущающих факторов.

Схема однополупериодной выпрямительной цепи приведена на рис. 1.4.

Если к первичной обмотке трансформатора U1 подключить переменное напряжение, то ток через диод VD1 будет проходить только при положительной полуволне этого напряжения. При

отрицательной полуволне U m2 ток практически будет отсутствовать. Во время максимума напряжения отрицательной полуволны к диоду будет приложено максимальное обратное напряжение, равное U m2

(рис. 1.4, б). Поскольку ток через диод проходит только в течение одного полупериода входного сигнала, схему выпрямления называют

однополупериодной.

12

где I m – амплитудное значение тока в нагрузке.

где Ri – сопротивление, учитывающее общее сопротивление обмотки

трансформатора и открытого диода (внутреннее сопротивление источника).

Из разложения (1.1) видно, что выпрямительный ток, кроме переменной составляющей, содержит и постоянную составляющую

Если пренебречь падением напряжения на вторичной обмотке трансформатора и диодах, среднее значение выпрямительного напряжения при работе на активную нагрузку равно

Наибольшее значение среди переменных составляющих имеет

Основным параметром, характеризующим качество работы выпрямителя, является коэффициент пульсации. Для рассматриваемого случая он равен отношению амплитуды первой гармоники выпрямленного тока к его среднему значению (к постоянной составляющей).

нагрузку К П ≈ 1,57.

Как правило, от выпрямительного устройства требуется обеспечить постоянную величину напряжения на сопротивлении нагрузки Rн . Для получения такого напряжения параллельно

сопротивлению нагрузки включают конденсатор, имеющий большую емкость Cн (рис. 1.6)

14

Следовательно, емкость значительно уменьшает пульсации переменной составляющей выпрямленных тока и напряжения, что приводит к увеличению их постоянных составляющих. При этом изменяется амплитуда и длительность импульсов тока, протекающих через диод.

Через интервал времени, равный периоду Т, напряжение на конденсаторе изменится на величину 2∆U (рис. 1.7).

Таким образом, среднее выпрямление напряжения на нагрузке

Амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения (амплитуда переменной составляющей) будет равна ∆U.

Следовательно, коэффициент пульсаций равен

где f – частота выпрямленного напряжения.

Скважность тока, протекающего через диод, определяется как отношение амплитудного тока в диоде I m к среднему значению

u

Приближенно можно считать, что длительность импульса тока в диоде, равная времени заряда конденсатора Cн , определяется из уравнения

Так же для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения

16

применяют схемы различных фильтров.

Емкостной сглаживающий фильтр применяют при малых токах в нагрузке и большом допустимом коэффициенте пульсаций (≈10%). При малом коэффициенте пульсаций необходимо использовать конденсатор очень большой емкости.

Для уменьшения пульсаций вместо одной большой емкости фильтра следует применять индуктивно-емкостной П-образный сглаживающий фильтр. Он состоит из входной емкости Cн и Г–

образного звена Lф и Cф (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Схема однополупериодного выпрямителя со сглаживающим LC-фильтром

сопротивления нагрузки Rн .

Таким образом, Г– образное звено сглаживающего фильтра действует как делитель пульсаций переменного напряжения, имеющий очень малый коэффициент передачи,

17

где Uвыхф - напряжение пульсаций на выходе фильтра; Uвхф - напряжение пульсаций нa входе фильтра.

Основным параметром, характеризующим свойства фильтра, является коэффициент сглаживания К СГ .

Он равен отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе К П вхф :

индуктивно-емкостного фильтра может быть определен из выражения

Индуктивно-емкостные П– образные фильтры экономически целесообразно использовать при значительных токах нагрузки. Конденсаторы накапливают энергию, отдают ее в нагрузку в течение интервалов времени, когда напряжение обмотки трансформатора меньше напряжения на конденсаторах сглаживающего фильтра, а индуктивность стремится уменьшить изменения тока нагрузки.

При небольших изменениях тока нагрузки применяют резистивно-емкостной П– образный фильтр (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема однополупериодного выпрямителя со сглаживающим RC-фильтром

Он состоит из выходной емкости Cн и Г– образного звена, состоящего из сопротивления Rф и конденсатора Сф .

Конденсатор Сф выбирают такой величины, чтобы по переменному току его сопротивление XC 1 Cф было бы намного меньше Rн .

18

Наиболее часто используются две схемы двухполупериодного выпрямления переменного сигнала: схема на основе трансформатора со средней точкой (рис. 1.10, а) и мостовая схема (рис.1.10, б). График изменения выходного напряжения при двухполупериодном напряжении (рис. 1.10, в).

Рис. 1.10. Схема двухполупериодных выпрямителей: с выводом средней точки (а), мостовой схеме (б), диаграмма напряжений (в)

В схеме на основе трансформатора со средней точкой (рис. 1.10, а) концы вторичных обмоток присоединены к диодам VD1 и VD2, которые через сопротивление нагрузки соединены с выводом средней точки. Каждый из диодов по очереди проводит ток через сопротивление нагрузки в течение следующих друг за другом полупериодов. Трансформатор, используемый в этой схеме должен

19

иметь две одинаковые вторичные обмотки или одну вторичную обмотку со среднем выводом. Выходное напряжение в этой схеме в 2 раза меньше, по сравнению с мостовой схемой выпрямителя. А величина, тока нагрузки в два раза больше, чем в схеме однополупериодного и двухполупериодного выпрямления.

В мостовой схеме (рис. 1.10, б) при положительной полуволне ток протекает через диоды VD1, VD3; при отрицательной – через диоды VD2, VD4. В результате, направление тока в нагрузке Rн

остается неизменным в течение всего периода входного сигнала.

На рис. 1.11 показаны кривые токов, протекающих через диоды VD1, VD2, VD3, VD4 и через сопротивление нагрузки Rн при

двухполупериодном выпрямлении.

Рис.1.11. Диаграмма токов при двухполупериодном выпрямлении

Кривая тока, разложенная в ряд Фурье, характеризуется уравнением

20