Цель работы

Изучение принципа действия и основных характеристик двухполупериодного выпрямителя.

Основные теоретические положения

Существует однополупериодное и двухполупериодное выпрямление переменного однофазного напряжения. В настоящей работе исследуется мостовой двухполупериодный выпрямитель. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром С_Ф приведена на рис.2.

В этом выпрямителе блок вентилей состоит из четырёх диодов, включённых по мостовой схеме. На одну диагональ мостовой схемы подаётся синусоидальное напряжение U_2Т от вторичной обмотки трансформатора Т. Ко второй диагонали подключаются нагрузка R_H и фильтр С_Ф. Данный выпрямитель может работать как без фильтра (когда ключ К разомкнут), так и с фильтром.

Работа выпрямителя без фильтра. При положительной полуволне напряжения U_2T (рис.3,а) диоды VD2 и VD3 открыты, а VD1 и VD4 закрыты. При этом под воздействием напряжения U_2T по цепи: зажим а вторичной обмотки трансформатора, диод VD2, нагрузочный резистор R_H, диод VD3, зажим b вторичная обмотка трансформатора – протекает ток i_H в направлении от с к d. При отрицательной полуволне напряжения U_2T диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 и VD3 закрыты. При этом ток i_H протекает по цепи – зажим b, диод VD4, нагрузочный резистор R_H, диод VD1, зажим а, вторичная обмотка трансформатора. Направление тока в резисторе R_H такое, как и при положительной полуволне напряжения U_2T.

Ток i_H, протекая по резистору R_H, создаёт пульсирующее напряжение U_H (рис.3,б). Это напряжение представляется следующим рядом Фурье:

где - постоянная составляющая выпрямленного напряжения U_H,

- амплитуда второй гармоники выпрямленного напряжения и так далее.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения U₀ при двухполупериодном выпрямлении выражается через амплитудное и действующее значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора следующими формулами:

При двухполупериодном выпрямлении коэффициент пульсации определяется как отношение амплитуды второй гармоники (так как первая гармоника равна нулю) к постоянной составляющей:

Работа выпрямителя с фильтром. Процесс сглаживания пульсаций емкостным фильтром при двухполупериодном выпрямлении показан на рис.3,в. Из этого рисунка следует, что выпрямленное и слаженное напряжение U_НФ на нагрузочном резисторе всегда больше нуля. В соответствии с законом Ома ток i_НФ, протекающий через нагрузку при наличии фильтра, также всегда будет больше нуля. Это объясняется следующим образом. В интервалах а – b, с – d, e – f одна пара диодов открыта, другая – закрыта и ток i_НФ протекает под воздействием напряжения U_2T. В эти же интервалы времени происходит подзаряд конденсатора С_Ф. В интервалах 0 – а, b – c, d – e, f – g все диоды закрыты, а ток i_НФ протекает в результате разряда конденсатора на нагрузочный резистор R_H.

В нешняя характеристика выпрямителя. Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость средневыпрямленного напряжения U₀ от средневыпрямленного значения тока I₀, то есть зависимость U₀(I₀). На рис.4 приведены графики внешних характеристик выпрямителя при работе его с фильтром – кривая U_0Ф(I₀) – и без фильтра – кривая U₀(I₀). Напряжения U_0ФХ и U_0X представляют собой напряжения холостого хода выпрямителя при работе его с фильтром и без фильтра. При этом U_0ФХ > U_0X за счёт действия сглаживающего фильтра.

ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования является мостовой двухполупериодный выпрямитель (рис. 5).

Рис. 5.

Для визуального наблюдения процесса выпрямления переменного напряжения применяется электронный осциллограф.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Соберите цепь согласно схеме (рис. 6) без сглаживающего фильтра. При сборке схемы обратите внимание на полярность электролитического конденсатора.

Рис. 6.

2. Включите приборы V0 и V1 и осциллограф.

Установить переключатель « » осциллографа в положение « » (открытый вход). Для получения осциллограммы входного напряжения подключить вход Y осциллографа к зажимом а и х. Установить на экран осциллографа 2-3 периода этого напряжения и зарисовать полученную осциллограмму. Для получения осциллограммы выпрямленного напряжения U_Н соединить вход Y осциллографа с гнёздами нагрузочного резистора R_H при отключённом фильтре С_Ф.

3. Перенесите на график (рис. 7) осциллограммы входного и выходного напряжений.

4. Сделайте измерения и запишите в табл. 1. значения: U_ВХ — действующее, U_d — среднее, , m = f_пульс / f_вх.

5. Рассчитайте и запишите в табл. 1 коэффициенты U_d / U_ВХ и k_пульс.

6. Параллельно нагрузочному резистору R_Н подключите сглаживающие конденсаторы C с емкостями, указанными в табл. 1, повторите измерения и дорисуйте графики выпрямленного напряжения на рис.1.

Рис. 7.

Таблица 1

C, мкФ	0	1	10	100
UВХ, В
Ud, B
, В
m
Ud / UВХ
kпульс

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Вычислить амплитудные значения переменных составляющих U_m и U_mФ и коэффициенты пульсаций Р и Р_Ф выпрямленного напряжения по формулам

Полученные результаты записать в табл.4 и 5 (прил.).

2. Построить внешние характеристики выпрямителя без фильтра

U₀ = f(I₀) и с фильтром U_0Ф = f(I₀) на рис.7 (прил.).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

1. Что называется выпрямителем?

2. Из каких частей в общем случае состоит выпрямитель?

3. Для чего в выпрямителях применяются фильтры и могут ли они работать без фильтров?

4. Нарисуйте кривую изменения выпрямленного напряжения при двухполупериодном выпрямлении без фильтров.

5. Какова связь между постоянной составляющей выпрямленного напряжения и средневыпрямленного напряжения?

6. Амплитуда выпрямленного синусоидального напряжения равна 100В. Чему равны средневыпрямленное значение напряжения при двухполупериодном выпрямлении без фильтров?

7. Чему равен коэффициент пульсаций напряжения при двухполупериодном выпрямлении?

8. Действующее значение выпрямленного синусоидального напряжения 100В. Средневыпрямленное напряжение на зажимах нагрузки должно быть не менее 80В. Можно ли получить заданное напряжение от выпрямителя без фильтра?

9. Что называют внешней характеристикой выпрямителя?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Основы промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова – М.: Высшая школа, 1986. – С. 224-231, 235-243.

2. Лабораторные работы по основам промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 2000. – С. 81-98.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕУПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА