Лабораторная работа № 6 (виртуальная) Исследование работы выпрямительных схем при помощи осциллографа

Цель работы:

1 Изучить работу одно- и двухполупериодных выпрямительных устройств.

2 Изучить влияние сглаживающих фильтров на выпрямленное напряжение.

Теоретические сведения

В качестве источников питания различных электронных устройств часто используют выпрямители. Выпрямители – это устройства, которые служат для преобразования переменного тока в постоянный. На рисунке 1 показана структурная схема выпрямителя, в состав которого входят: силовой трансформатор, служащий для преобразования переменного питающего напряжения; вентиль, обладающий односторонней проводимостью и обеспечивающий преобразование переменного тока в выпрямленный (ток одного направления); сглаживающий фильтр, который служит для преобразования выпрямленного тока в ток, близкий по форме к постоянному.

Рисунок 1 Структурная схема выпрямителя

Современные выпрямители различают по типу вентилей, схеме их включения и числу фаз источника переменного напряжения. Выпрямители подразделяют также на управляемые и не управляемые. Для питания блоков электронной аппаратуры, как правило, применяют выпрямители малой мощности с питанием от однофазных сетей переменного тока. В тех случаях, когда необходимо получить повышенное постоянное напряжение, а первичный источник также вырабатывает постоянное напряжение, применяют специальные преобразователи – инверторы.

В настоящее время большинство выпрямителей выполняют на полупроводниковых диодах. Силовые полупроводниковые диоды имеют ряд преимуществ:

– высокий КПД;

– постоянная готовность к работе;

– большой срок службы;

– малые массу и габариты;

– высокую надёжность.

На рисунке 2 представлена схема простейшего однополупериодного выпрямителя, в состав которого входят трансформатор Тр, диод Д, нагрузка R_н.

Рисунок 2 Схема однополупериодного выпрямителя

Переменное синусоидальное напряжение U_с (рисунок 3, а) подают на диод Д. За счет односторонней проводимости диодов ток (рисунок 3, б) протекает только в положительные полупериоды напряжения U₂ и, следовательно, имеет импульсную форму. Постоянная составляющая этого тока I₀ определяется средним значением тока, протекающего через нагрузку R_н за полупериод.

Рисунок 3 Диаграммы напряжений и токов в схеме однополупериодного выпрямителя

Качество выпрямителя характеризуется отношением постоянной составляющей U₀ выпрямленного напряжения к действующему значению переменного напряжения U₂: U₀/U₂. Чем больше значение этого отношения, тем выше качество выпрямителя. Для однополупериодного выпрямителя это отношение равно 0, 45.

Важным требованием к выпрямителю является снижение переменной составляющей выпрямленного напряжения, которое характеризуется коэффициентом пульсаций к_п, равным отношению амплитудного значения переменной составляющей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей. Коэффициент пульсаций часто определяют по первой гармонике. Для однополупериодного выпрямителя он составляет 1,57.

К выпрямителям предъявляется также требование, касающееся режима работы вентилей: обратное напряжение на вентиле не должно намного превышать выпрямленное напряжение. Выполнение этого требования характеризуется отношением максимального значения обратного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя – π.

Схемы однополупериодных выпрямителей имеют ряд недостатков: малое значение выпрямленного напряжения, большой коэффициент пульсаций…

На практике используют различные схемы двухполупериодных выпрямителей.

На рисунке 4 представлены схемы двухполупериодного выпрямителя с выводом от середины вторичной обмотки трансформатора (а) и мостовая (б).

Рисунок 4 Схемы двухполупериодных выпрямителей: а – с вводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора; б – мостовая

Наиболее распространена мостовая схема, благодаря тому что не требуется трансформатор, имеющий отвод от середины вторичной обмотки. Четыре диода схемы образуют мост, к одной диагонали которого присоединяются концы вторичной обмотки трансформатора, а к другой – нагрузка выпрямителя. Диоды работают поочерёдно: при положительной полуволне напряжения, которая соответствует прямому включению диода 1, ток проходит через диод 1, нагрузку, диод 3, а при отрицательной полуволне напряжения, соответствующей прямому включению диода 2, ток проходит через диод2, нагрузку и диод 4. На рисунке 5 представлены диаграммы напряжений и токов в мостовой схеме.

Рисунок 5 Диаграммы напряжений и токов в мостовой схеме.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения здесь в два раза больше, чем в однополупериодной схеме, что увеличивает среднее значение выпрямленного напряжения.

Простейшие схему выпрямителей имеют большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения. Поэтому используют сглаживающие фильтры. Обычно используют Г- или П-образные фильтры, включающие дроссели, конденсаторы и резисторы.

На рисунке 6 представлены схемы LC фильтров.

Рисунок 6 Схемы фильтров: а – Г-образного; б – П-образного

Приборы и оборудование:

1. Программа EWB

2. Отчётные бланки

Порядок выполнения работы:

1 Собрать схему для изучения работы однополупериодного выпрямителя без фильтра (рисунок 7) и с фильтром (рисунок 8). Включить схему.

Рисунок 7 – Схема однополупериодного выпрямителя без фильтра

Рисунок 8 – Схема однополупериодного выпрямителя с фильтром

2 Зарисовать изображение кривых с экрана осциллографа на выходе выпрямителя для случая однополупериодной схемы без сглаживающих фильтров и при использовании всех возможных фильтров.

3 Собрать схему для изучения работы двухполупериодного выпрямителя без фильтра (рисунок 9) и с фильтром (рисунок 10). Включить схему.

Рисунок 9 – Схема двухполупериодного выпрямителя без фильтра

Рисунок 10 – Схема двухполупериодного выпрямителя с фильтром

5 Ответить на контрольные вопросы письменно.