Лаба №1 - Изучение выпрямительных и сглаживающих устройств (преп. Мирина)

В этой лабораторной работе ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ ИП является генератор переменного напряжения (генератор звуковых частот). Далее сигнал с генератора поступает на вход трансформатора, который предназначен для преобразования электрического напряжения и получения из напряжения одного значения группы напряжений пропорциональных друг другу.

ТРАНСФОРМАТОР Т это устройство, состоящее из двух (или более) связанных катушек индуктивности (одна из которых называется первичной, а другие вторичными обмотками). Напряжение, снимаемое со вторичной обмотки, пропорционально напряжению переменного тока, поданному на первичную обмотку, причем коэффициент изменения (трансформации) напряжения прямо пропорционален отношению числа витков обмоток трансформатора, а коэффициент изменения тока обратно пропорционален. Т.о. мощность сохраняется неизменной.

Трансформатор обладает весьма высоким коэффициентом полезного действия (мощность его на выходе почти равна мощности на входе); в связи с этим повышающий трансформатор обеспечивает рост напряжения при уменьшении тока, а понижающий трансформатор обеспечивает уменьшение напряжения при повышении тока.

В электронных приборах трансформатор выполняет две важные функции: во-первых, он преобразует напряжение переменного тока сети к нужному, обычно к более низкому значению, которое можно использовать в схеме,' и, во-вторых, он «изолирует» электронную схему от непосредственного контакта с силовой сетью, так как обмотки трансформатора электрически изолированы одна от другой.

Трансформаторами называются статические устройства, обеспечивающие преобразования параметров переменных напряжений и токов. Трансформаторы позволяют: изменять уровни и фазу напряжений (токов); согласовывать сопротивления источника сигнала и нагрузки; разделять цепи по постоянному току; изменять форму переменного напряжения (тока).

Различают трансформаторы питания электронной аппаратуры и сигнальные трансформаторы.

Трансформаторы питания электронной аппаратуры - это трансформаторы малой мощности, предназначенные для

преобразования напряжения электрической сети в напряжения, необходимые для питания электронных устройств.

Сигнальные трансформаторы - это трансформаторы малой мощности, предназначенные для точной передачи, преобразования, а иногда и запоминания электрических сигналов. Их подразделяют на входные (обеспечивающие согласование входных сопротивлений электронных узлов и источников сигнала), выходные (обеспечивающие согласование выходных сопротивлений электронных устройств с сопротивлениями нагрузок) и импульсные (обеспечивающие преобразование и формирование импульсных сигналов).

Коэффициент передачи трансформатора изменяется в зависимости от частоты входного сигнала. Рассмотрим это на примере эквивалентной схемы трансформатора и ее изменении в области низких, средних и высоких частот рис. 1.2.

а - трансформатора; б - приведенного трансформатора; в - для областей низких частот; г - средних; д - высоких частот; активные сопротивления провода обмоток; индуктивности рассеяния обмоток; М - взаимоиндуктивность; - сопротивление, отражающее наличие потерь в магнитопроводе; С - приведенная собственная емкость трансформатора

Частотные искажения сигнала наблюдаются как в области низких, так и в области высоких частот. В области низких частот они обусловлены малым значением сопротивления взаимоиндуктивности М (рис. 1.2, а), в результате чего определенная часть электрического

тока, созданного входным сигналом, ответвляется в нее. В области высоких частот частотные искажения обусловлены наличием у обмоток индуктивностей рассеивания Ls, электромагнитными потерями в магнитопроводе Rnom а также наличием у обмоток и между обмотками паразитных емкостей С. Учесть емкости достаточно сложно из-за того, что они имеют распределенный характер и существенно меняются в зависимости от технологии изготовления обмоток. Но с их наличием приходится считаться. На эквивалентной схеме приведенного трансформатора для области высоких частот (рис. 1.2, д) часто вводят приведенную собственную емкость С (иногда емкость подключают параллельно взаимоиндуктивности или подключают к входным и выходным зажимам).

Для упрощения часто используют эквивалентные схемы трансформатора для областей низких (рис. 1.2, в), средних (рис. 1.2, г), высоких (рис. 1.2, д) частот и приведенную к первичной

взаимоиндуктивность М и сопротивление потерь Rnom зависят от

сопротивлениями эквивалентной схемы меняется в зависимости от уровня входного сигнала, а соответственно изменяется коэффициент трансформации трансформатора. Это приводит к искажениям формы выходного сигнала, которые называются нелинейными искажениями.

Поэтому рабочую частоту выбирают в той полосе частот, где коэффициент трансформации имеет стабильное значение.

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА В преобразуют переменное напряжение любой формы в однополярное пульсирующее напряжение состоящее из двух составляющих - постоянной и переменной. В состав выпрямительных устройств входят один или несколько нелинейных элементов, соединенных в одну из известных схем выпрямления электрического сигнала.

Выпрямительными называются устройства, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный ток с определенной составляющей пульсаций переменного тока, которая зависит от схемы выпрямительного устройства и далее уменьшается

пульсаций 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.

2.2. ОДНОПОЛУПЕРИОДНОЕ ВЫПРЯМЛЕНИЕ

Схема однополупериодной выпрямительной цепи приведена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Схема однополупериодного выпрямителя (а), диаграмма напряжений (б).

Если к первичной обмотке трансформатора подключить переменное напряжение, то ток через диод будет проходить только при положительной полуволне этого напряжения. При отрицательной полуволне ток практически отсутствует. Во время максимума напряжения отрицательной полуволны к диоду будет приложено

максимальное обратное напряжение, равное . Поскольку ток

через диод проходит только в течение одного полупериода, схему выпрямления называют однополупериодной. Сущность работы выпрямителя иллюстрирует рис. 1.5, где показана идеализированная характеристика полупроводникового диода (рис. 1.5, а) и напряжение, приложенное к нему (рис. 1.5, б), а также импульсы тока через диод (рис. 1.5, в).

Рис. 1.5. Диаграмма выходных токов однополупериодного выпрямителя

- постоянная составляющая выпрямленного тока; - переменная составляющая выпрямленного тока.

Считая входное напряжение синусоидальным, последовательность импульсов тока в нагрузке можно разложить в ряд Фурье

(1.1)

где - амплитудное значение тока в нагрузке.

(1.2)

где - сопротивление обмотки трансформатора и открытого диода

(внутреннее сопротивление источника).

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

(1.3)

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

(1.4)

Наибольшее значение среди переменных составляющих имеет ток основной частоты (первая гармоника). Его амплитуда

(1.5)

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

(1.6)

При работе однополупериодного выпрямителя на активную нагрузку

Как правило, от выпрямительного устройства требуется обеспечить постоянную величину напряжения на сопротивлении нагрузки. Для получения такого напряжения параллельно сопротивлению нагрузки включают конденсатор, имеющий большую емкость (рис. 1.6)

Рис. 1.6. Схема однополупериодного выпрямителя с емкостной нагрузкой

При положительной полуволне напряжения через диод будет протекать электрический ток, который зарядит конденсатор до амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке При