ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №8

Випрямлячі змінного струму

Мета роботи: Визначити зворотний опір напівпровідникових діодів, дослідити роботу випрямлячів з активним і ємнісним навантаженням: однопівперіодного однофазного, мостового однофазного та одно- і двопівперіодного трифазних.

Загальні положення

Випрямлячі призначені для перетворення електричної енергії змінної напруги, наприклад, синусоїдної форми в електричну енергію, полярність напруги якої не змінюється. Основними елементами випрямляча є діоди. Напівпровідникові діоди створюють шляхом сплавлення напівпровідників різних типів провідності: р-напівпровідника з дірковою провідністю і n-напівпровідника з електронною провідністю.

Внаслідок рекомбінації електронів і дірок на межі сплавлених напівпровідників виникає прошарок з властивостями діелектрика – він не має рухомих носіїв зарядів і не проводить електричний струм. Цей прошарок називають p-n переходом, а прилад, який має два виводи (від p-напівпровідника – анод, від n-напівпровідника - катод) являється напівпровідниковим діодом. Якщо до такого діоду прикласти напругу в прямому напрямку (“+” до аноду), товщина p-n переходу і його опір зменшуються, через діод протікає електричний струм. Якщо до діоду прикласти напругу в зворотному напрямку (“-” до аноду), товщина p-n переходу і його опір зростають, струм через діод практично не проходить.

Кожен діод має обмежені значення сили струму І_н в прямому напрямку і зворотної напруги U_зв, при перевищенні яких діод перегрівається і його робота порушується.

Найпростіший однопівперіодний випрямляч (рис. 8.1) має діод Д, послідовно з’єднаний з вторинною обмоткою трансформатора і навантаженням. Через послідовно з’єднані діод і навантаження протікає струм, який визначається їх загальним опором: І_н = U₂ /(R_д+ R_н).

Р ис. 8.1. Однопівперіодний однофазний випрямляч

Напруга U₂ вторинної обмотки трансформатора має синусоїдну форму (рис. 8.2 а) і періодично змінюється – на протязі одного півперіоду вона є додатною і прикладається до послідовно з’єднаних діоду і навантаження в прямому напрямку, на протязі другого півперіоду вона має протилежну полярність і прикладається до діоду і навантаження в зворотному напрямку.

Рис. 8.2. Графіки синусоїдної напруги на вході випрямляча - а і напруг на виході однопівперіодного – б

і двопівперіодного – в випрямлячів

В прямому напрямку діод має незначний опір R_пр.«R_н і сила струму визначається опором навантаження: І_н U₂ /R_н, на діоді відбувається незначне падіння напруги, пропорційне його прямому опору R_пр., і майже вся напруга U₂ прикладається до навантаження – U_н U₂. При зміні полярності напруги U₂ опір діоду R_зв і загальний опір кола різко зростають, сила струму відповідно зменшується і визначається зворотним опором діоду: І_н.зв. U₂ /R_зв.. Оскільки зворотний опір діоду значно перевищує опір навантаження, майже вся напруга U₂ прикладається до діоду – U_зв U₂, в колі практично нема струму, напруга на навантаженні практично відсутня.

Форму напруги U_в на виході випрямляча показано на рис. 8.2.б, вона має форму додатних імпульсів синусоїдної форми, амплітуда яких наближається до амплітудного значення напруги U_2m, імпульси мають частоту напруги живлення. Середнє значення напруги випрямляча визначається висотою прямокутника, рівновеликого з півсинусоїдним імпульсом.

Максимальна зворотна напруга визначається амплітудою напруги U₂ : U_зв.max = U_2m.

Напруга U_в випрямляча має значні пульсації, їх характеризують коефіцієнтом пульсацій k_п, який визначають відношенням змінної напруги частоти пульсацій U_п до середнього значення напруги випрямляча у відсотках:

При активному навантаженні однопівперіодний випрямляч має k_п= 157%

Для зменшення коефіцієнта пульсацій використовують ємнісне навантаження – паралельно до активного навантаження приєднують конденсатор С_н (на рис. 8.1 шляхом замикання ключа К). При додатній полярності напруги U₂, коли діод Д відкритий, конденсатор С_н заряджається до напруги, близької до U_2m. Напруга конденсатора прикладається до катоду діоду і є зворотною. Тому діод Д закривається, коли напруга U₂ починає зменшуватись від амплітудного значення. Коли діод Д закритий, конденсатор С_н розряджається через навантаження. Завдяки цьому збільшується середнє значення напруги випрямляча і його струму.

Розряд конденсатора відбувається за експоненціальним законом до моменту t₁, як показано на рис. 8.2.б. В момент t₁ напруга U₂ на аноді діоду перевищує напругу U_в конденсатора, яка прикладається до катоду діоду, і діод Д відкривається. Напруга U_в випрямляча починає зростати і заряджати конденсатор. Чим більша ємність конденсатора С_н і опір навантаження R_н, тим повільніше відбувається розряд конденсатора. При цьому зростає середня напруга випрямляча і зменшується коефіцієнт пульсацій.

При ємнісному навантаженні вдвічі збільшується зворотна напруга на діоді – в від'ємний півперіод напруга U₂ додається до напруги конденсатора С_н і прикладається до діоду в зворотному напрямку.

Рис. 8.3 Мостовий однофазний випрямляч

Мостовий однофазний випрямляч (рис. 8.3) є двопівперіодним. Він дозволяє одержати випрямлену напругу з подвоєною частотою пульсацій, графік якої відображено на рис. 8.2.в. Коли напруга в точці А має додатну полярність, діоди Д₁, Д₃ відкриті і проводять струм від точки А через діод Д_1, навантаження R_н, діод Д₃ і обмотку трансформатора. Діоди Д₂, Д₄ в цей півперіод закриті, до них через відкриті діоди Д₁, Д₃, прикладається в зворотному напрямі наруга U₂. В слідуючий півперіод полярність напруги U₂ змінюється на протилежну, і відкриваються діоди Д_2, Д₄. Струм протікає від точки В через діод Д₄, навантаження R_н, діод Д₂ і обмотку трансформатора. Напрям струму через навантаження співпадає з попереднім, а в обмотці трансформатора має протилежний напрям.

Мостовий випрямляч з активним навантаженням має подвоєну величину середнього значення напруги U_в порівняно з однофазним випрямлячем і менші пульсації напруги (k_п= 70%). Для зменшення пульсацій напруги використовують ємнісне навантаження, завдяки подвоєній частоті пульсацій конденсатор діє більш ефективно. В потужних випрямлячах для зменшення пульсацій сили струму використовують індуктивне навантаження – послідовно з R_н вмикають котушку індуктивності.

Рис. 8.4 Трифазні випрямлячі: однопівперіодний - а, двопівперіодний - б і графіки напруг: трифазних синусоїдних – в, напруги на навантаженні однопівперіодного - г і двопівперіодного - д випрямлячів

Трифазний однопівперіодний випрямляч (Рис. 8.4.а) має три діоди Д₁, Д₂ і Д₃, сполучені катодами, їх спільна точка з”єднується з додатним полюсом навантаження. Аноди діодів приєднані до кожної фази вторинної обмотки трансформатора. Вторинні обмотки трансформатора з’єднані зіркою, їх спільна точка з’єднана з від’ємним полюсом навантаження.

Кожен з діодів знаходиться у відкритому стані тритину періоду, коли напруга на його аноді більша ніж напруги на анодах інших діодів. Напруга випрямляча U_в змінюється від U_2m (амплітуда фазної напруги) до 0,5U_2m. Зворотна напруга на діодах досягає амплітудного значення лінійної напруги, вона прикладається до закритих діодів через відкритий в даний момент діод. Для зменшення пульсацій напруги і сили струму застосовують ємнісне або індуктивне навантаження. Трифазний однопівперіодний випрямляч має потроєну частоту пульсацій.

Трифазний двопівперіодний випрямляч (Рис. 8.4.б) має дві групи діодів – діоди Д₁, Д₃ і Д₅, сполучені катодами, створюють шлях для електричного струму до додатного полюсу навантаження. Діоди Д₂, Д₄ і Д₆, сполучені анодами, створюють шлях від від’ємного полюсу навантаження. До кожної фази вторинних обмоток трансформатора приєднуються два діоди – по одному від кожної групи. Струм проходить через діод першої групи, на аноді якого в даний момент часу найбільша додатна напруга, через навантаження і діод другої групи, на катоді якого найбільша від’ємна напруга. Кожен з діодів знаходиться у відкритому стані тритину періоду, через кожні Т/6 змінюється шлях електричного струму.

Вторинні обмотки трансформатора можуть бути з’єднані зіркою або трикутником, незалежно від цього до навантаження прикладається лінійна напруга, вона ж прикладається в зворотному напрямку до закритих діодів. Трифазний двопівперіодний випрямляч має шестикратну частоту пульсацій і найменші пульсації напруги і струму, які можуть бути зменшені за допомогою ємнісного або індуктивного навантаження. Кожен випрямляч має певний внутрішній опір, який визначається втратами напруги на діодах випрямляча, в трансформаторі. Ці втрати збільшуються з ростом навантаження. При ємнісному навантаженні спостерігається також більш швидкий розряд конденсатора через навантаження при закритих діодах. Навантажувальні характеристики випрямлячів показані на рис. 8.5.

U_сп

2

1

І_сп

Рис. 8.5. Навантажувальні характеристики випрямлячів: з активним навантаженням - 1 і з ємнісним - 2

Форму напруги на вході випрямляча і на навантаженні можна спостерігати на екрані осцилографа. Необхідно при цьому мати на увазі, що один із входів осцилографа (корпусний) має занулення і він може приєднуватись в досліджуваному електричному колі тільки до зануленої точки, або до будь-якої точки, але тільки в електричному колі, яке не має гальваничного зв’язку з мережею живлення.