Министерство образования Российской Федерации

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

Исследование выпрямительных устройств гармонических сигналов

Методические указания к лабораторным работам по курсам: «Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных средств», «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» для студентов всех форм обучения направления 552500 – Радиотехника, направления 654200 – Радиотехника по специальности 200700 – Радиотехника, направления 654400 – Телекоммуникация по специальностям: 200900 – Сети связи и системы коммутации; 201200 – Средства связи с подвижными объектами

Екатеринбург

2003

УДК 621.381

Составители А.А. Дурнаков, В.И. Елфимов, Н.С. Устыленко

Научный редактор доц., канд. техн. наук А.А. Калмыков

Исследование выпрямительных устройств гармонических сигналов: Методические указания к лабораторным работам по курсам: «Электропреобразовательные устройства радиоэлек-тронных средств», «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» для студентов всех форм обучения направления 552500 – Радиотехника, направления 654200 – Радиотехника по специальности 200700 – Радиотехника, направления 654400 – Телекоммуникация по специальностям: 200900 – Сети связи и системы коммутации; 201200 – Средства связи с подвижными объектами / А.А. Дурнаков, В.И. Елфимов, Н.С. Устыленко. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. 26 с.

Методические указания содержат описание принципа действия выпрямительных устройств гармонических сигналов. Рассматриваются основные схемы: однофазная однополупериодная; двухфазная двух-полупериодная; однофазная мостовая схема выпрямления; работающие на резистивную, индуктивную, емкостную виды нагрузок. Для пояснения принципа действия выпрямительных схем приводятся соответствующие временные диаграммы и расчетные соотношения. Представляются лабораторные задания с указанием порядка выполнения экспериментальной части; требования к оформлению отчета по каждой лабораторной работе; вопросы для самопроверки; образец титульного листа отчета; библиографический список.

Библиогр.: 7 назв. Табл. 4. Рис. 10. Прил. 2.

Подготовлено кафедрой «Радиоэлектроника информационных систем».

© ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ», 2003

1. Цель лабораторных работ

Ознакомиться с работой основных выпрямительных схем гармонических сигналов: однофазной однополупериодной; двухфазной двухполупериодной и однофазной мостовой схем выпрямления, их характеристиками при различных видах реакции нагрузки. Экспериментально исследовать схемы выпрямления гармонических сигналов, получить навыки проектирования и расчета параметров выпрямительных устройств.

2. Устройство и принцип работы схем выпрямления

2.1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Основная однополупериодная (однофазная) схема выпрямления (рис.1, а) весьма проста [1-4, 6], она содержит трансформатор с двумя обмотками и вентиль VD. При однополупериодном выпрямлении и резистивной нагрузке (рис.1, а) ток через нагрузку R_Н проходит при положительной полуволне переменного напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора. Ток в цепи вентиля VD может проходить только тогда, когда анод вентиля находится под положительным потенциалом относительно катода (рис.1, б). Это положение сохраняется половину периода (рис.1, д). При смене полярности напряжения (рис.1, б) вентиль находится под обратным напряжением (рис.1, в). Амплитуда обратного напряжения на вентиле равна в этой схеме амплитуде напряжения на вторичной обмотке (рис.1, г). Выпрямленное напряжение u₀ (рис.1, г) получается пульсирующим и имеет форму однонаправленных импульсов длительностью в половину периода. Такова же форма и тока нагрузки (рис.1, д).

Число фаз выпрямления , так как за период напряжения вторичной обмотки трансформатора через нагрузку проходит один импульс тока. Для упрощения считаем вентиль и трансформатор идеальными ( , , , ) .

Постоянная составляющая выпрямленного тока в нагрузке за период равна

. (1)

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

. (2)

А

3

мплитуда тока через вторичную обмотку трансформатора

. (3)

Действующие значения напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора:

, (4)

. (5)

Рис. 1. Схема и временные диаграммы работы однополупериодного выпрямителя при резистивной нагрузке

Обратное напряжение на диоде VD (рис.1, а)

. (6)

Частота пульсации выходного напряжения (рис. 1, г) , а коэффициент пульсации

. (7)

П

4

ри включении дросселя последовательно с резистором нагрузки R_Н (рис.2, а) характер работы выпрямителя изменяется, так как в моменты протекания тока, помимо напряжения вторичной обмотки трансформатора , действует еще ЭДС самоиндукции дросселя . На рис. 2, б – 2, г представлены временные диаграммы, поясняющие работу одно-полупериодного выпрямителя на индуктивную нагрузку. Во время положительной полуволны напряжения вторичной обмотки трансформатора (рис. 2, б) вентиль включается и начинает пропускать ток, который под действием сначала увеличивается, а затем уменьшается. Форма тока (рис. 2, г) будет несинусоидальной, так как кроме в цепи действует ЭДС самоиндукции в обмотке дросселя: . При увеличении тока отрицательна (рис. 2, в) и замедляет процесс нарастания тока. В этом случае изменение напряжения на аноде вентиля (рис. 2, а) определяется алгебраической суммой изменяющихся во времени и ЭДС самоиндукции дросселя (рис. 2, в). В результате происходит “затягивание” тока , и его форма представлена на (рис. 2, г). Продолжительность работы вентиля определяется углом импульсов тока .

Рис. 2. Схема и временные диаграммы работы однополупериодного

выпрямителя при индуктивном характере нагрузки

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения находится из выражения

5

. (8)

Ток в нагрузке

, (9)

где

, .

При работе однополупериодного выпрямителя на нагрузку емкостного характера его схема принимает вид, представленный на рис. 3, а. Конденсатор С (рис. 3, а) заряжается, когда вентиль VD открыт, а при закрытом вентиле разряжается на нагрузку. На рис. 3, б – 3, е изображены временные диаграммы, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя на емкостную нагрузку. В интервале времени (рис. 3, в) напряжение (рис. 3, б) больше, чем напряжение на конденсаторе. Поэтому вентиль VD открывается в момент и ток (рис. 3, г) частично идет на заряд конденсатора и частично протекает по нагрузке. Напряжение заряда конденсатора растет до момента (рис. 3, в).

Далее напряжение становится меньше напряжения на конденсаторе, и вентиль закрывается. С момента вентиль отключает вторичную обмотку трансформатора от заряженного конденсатора и нагрузки. Конденсатор разряжается на нагрузку, поддерживая в ней ток, напряжение разряда в момент времени станет равным , и процесс заряда конденсатора повторяется. Ток разряда конденсатора противоположен по знаку и изменяется по экспоненциальному закону (рис. 3, д). Половина интервала времени, в течение которого протекает ток вентиля (рис. 3, г), соответствует углу отсечки тока . Таким образом, конденсатор оказывает на выпрямленное пульсирующее напряжение сглаживающее действие, заключающееся в том, что за счет запаса энергии, накопленной в конденсаторе за время заряда, в нагрузке поддерживается ток в течение того времени, когда вентиль не работает. Временная зависимость обратного напряжения на вентиле представлена на рис. 3, д, и его максимальное значение при равно

. (10)

Напряжение на нагрузке и конденсаторе

. (11)

Ток нагрузки для случая m-фазного выпрямителя

, (12)

где R – сопротивление фазы выпрямителя.

Амплитуда тока вентиля в случае m числа фаз выпрямителя равна

. (13)

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

, (14)

а

6

6

действующее значение напряжения

. (15)

Коэффициент пульсации выходного напряжения

. (16)

Коэффициенты А(θ), B(θ), F(θ), D(θ), H(θ) зависят от угла отсечки  и от функции A(θ). Их графические зависимости представлены в [1, 2].

Зависимость постоянного напряжения на нагрузке от тока нагрузки называется нагрузочной или внешней характеристикой выпрямителя (рис. 4). Если - изменение выпрямленного напряжения, соответствующее приросту тока нагрузки от до , то выходное сопротивление выпрямителя, характеризующее наклон нагрузочной характеристики, находится из выражения

7

. (17)

З нак минус в выражении (17) указывает на то, что положительное выходное сопротивление имеет выпрямитель с падающей внешней характеристикой.

Рис. 4. Внешняя характеристика выпрямительной схемы