Изучение выпрямителей на полупроводниковых диодах

Цель работы: изучить основные схемы выпрямителей на полупроводниковых диодах и их характеристики.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

1. В цепях с активными нелинейными элементами, находящимися под воздействием синусоидального напряжения появляется постоянная составляющая тока. Такой процесс в общем случае называется выпрямлением переменного тока, а устройства его реализующие называются выпрямителями. Простейшая схема выпрямителя на полупроводниковом диоде приведена на рис. 1а.

Любой сигнал, как следует из представления рядом Фурье, в общем случае содержит постоянную составляющую, основную и высшие гармоники. От выпрямителей требуется так преобразовать синусоидальное напряжение, чтобы постоянная составляющая была максимальна.

Можно показать, что данное требование реализуется наилучшим образом в цепи с нелинейным элементом, имеющим вентильную вольтамперную характеристику (Рис. 1 б). При положительном напряжении на выпрямительном элементе его сопротивление мало и практически все падение напряжения приходится на сопротивление нагрузки. При обратном напряжении сопротивление нелинейного элемента близко к бесконечности и падение напряжения на нагрузке близко к нулю. В приведенной выше схеме ток в нагрузке будет состоять из отдельных полупериодов, и выпрямители такого типа называются однополупериодными.

В реальных диодах вольтамперная характеристика отличается от идеальной, и, при подаче обратного напряжения, через нагрузку протекает небольшой ток. Чем больше сопротивление нагрузки, тем более заметным оказывается это явление. Помимо этого, вследствие нелинейности вольтамперной характеристики на положительном участке возможно появление нелинейных искажений в выпрямленном токе (рис. 2).

Как следует из закона Ома, напряжение на выходе схемы на Рис. 1а определяется соотношением:

.

Отсюда следует, что чем больше сопротивление диода R_д, тем меньше выходное напряжение. С другой стороны, если сопротивление нагрузки так велико, что сравнимо с сопротивлением диода в обратном направлении, то отрицательная полуволна будет заметна в выходном напряжении.

2. Для подавления основной и высших гармоник в выпрямленном токе и выделения постоянной составляющей необходимо применение фильтров.

На рис.3а приведена схема простейшего выпрямителя, содержащего фильтрующий элемент в виде конденсатора большой емкости, шунтирующего сопротивление нагрузки.

Из приведенной на Рис. 36 зависимости тока через нагрузку от времени видно, что напряжение на сопротивлении нагрузки будет иметь форму, близкую к пилообразной.

Для оценки степени отклонения выпрямленного тока от постоянного служит коэффициент пульсаций К_п:

.

где U_cp - среднее значение выпрямленного напряжения, a U_max и U_min - максимальное и минимальное пиковые значения выпрямленного напряжения.

Средним значением напряжения называется постоянная составляющая в его Фурье-преобразовании, которая находится по формуле:

.

Для схемы на Рис. 3 коэффициент пульсаций может быть оценен по следующей методике.

Если предположить, что экспоненциальное уменьшение напряжения на нагрузке (RC разряд) происходит в течение времени T (где Т- период входного напряжения), то считая, что напряжение уменьшается по экспоненциальному закону, можно найти Umin:

. (1)

В том случае, если постоянная фильтра Rh*C >> Т, выражение (1) может быть представлено приближенно:

.

В этом случае можно считать, что , и, следовательно, коэффициент пульсаций равен:

(2)

Необходимо отметить, что применение емкостных фильтров приводит, как правило, к некоторому уменьшению пикового значения напряжения, но не увеличивает значение постоянной составляющей выпрямленного тока. С другой стороны, сама величина сопротивления нагрузки весьма существенно влияет на величину выпрямленного напряжения. И если емкостное сопротивление фильтрующего конденсатора много меньше сопротивления нагрузки, то выходное напряжение резко уменьшается.

Таким образом, выбор величины сглаживающей емкости определяется двумя противоречащими условиями: с одной стороны постоянная фильтра C*R_н должна быть как можно больше, с другой стороны емкостное сопротивление конденсатора должно быть много меньше сопротивления нагрузки.

Для однополупериодного выпрямителя без сглаживающего фильтра коэффициент пульсаций составляет 1,21. В тоже время, требования к коэффициенту пульсаций напряжения питания стандартных радиоэлектронных схем достаточно жестки. Для входных низкочастотных усилительных каскадов коэффициент пульсаций должен быть не больше 10^-6 , основных усилительных каскадов – 10^-4 – 10^-5, импульсных, генераторных схем и усилителей мощности – 10^-2 – 10^-4.

3. Недостатком однополупериодной схемы выпрямления, помимо большого значения коэффициента пульсаций, является низкий коэффициент полезного действия, так как по крайней мере половину периода источник работает вхолостую.

Этого недостатка лишены двухполупериодные схемы выпрямления, один из вариантов которых приведен на рис.4.

В данной схеме при положительной полуволне (в т. 1 - плюс, в т. 2 - минус) ток течет по контуру D1 - R_н - D3, а при отрицательной полуволне ( в т. 2 - плюс, в т. 1 - минус) по контуру D2 - R_h - D4. Таким образом, в течение всего периода ток через нагрузку сохраняет свое направление.

На рис. 5 приведен график изменения напряжения на нагрузке для схемы рис. 4 (пунктиром показано изменение напряжения при включении сглаживающего конденсатора).

Необходимо отметить, что кратко рассмотренные выше схемы выпрямителей и сглаживающих фильтров являются простейшими и на практике используются только в маломощных схемах с невысокими требованиями к качеству питания.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Экспериментальная установка состоит из генератора синусоидальных колебаний ГЗ-33 (34), модульного конструктора "Электронная мозаика" и осциллографа С1-71 (74).

В работе изучается форма сигнала после прохождения одно и двухполупериодного выпрямителей, сглаживающие свойства емкости и измеряется величина постоянной составляющей выпрямленного тока U_cp.

Величина U_cp может быть определена по графику зависимости выпрямленного напряжения от времени. Если при построении графика были использованы вертикальный масштаб М_у(В/дел) и горизонтальный масштаб М_х(с/дел), то среднее значение напряжения за один период Т может быть вычислено по формуле:

U_cp = S*M_y*M_x/T, (3)

где S- площадь под графиком в делениях в квадрате.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Внимательно ознакомиться с приборами, находящимися на рабочем столе. Изучить описание осциллографа, генератора и конструктора "Электронная мозаика".

2. Включить осциллограф и генератор и дать им прогреться 5 мин.

3. Собрать из элементов "Электронной мозаики" однополупериодный выпрямитель (схема рис. 1а) с сопротивлением нагрузки R_H = 68 кОм. Подать на вход схемы напряжение с генератора с амплитудой U_BX = 5 В и частотой f = 500 Гц. Получить на экране осциллографа устойчивую картину сигнала, выбрав вертикальное усиление 2В/дел и частоту развертки 0,5 мс/дел.

4. Перерисовать на миллиметровую бумагу с соблюдением масштаба два периода выпрямленного напряжения.

5. Изменить частоту сигнала с выхода генератора на f = 5000 Гц и повторить измерения, описанные в пп. 3 и 4 (рекомендуется установить частоту развертки осциллографа 50 мкс/дел).

6. Подключить к выходу выпрямителя сглаживающий фильтр емкостью С = 0.01 мкФ и повторить операции, описанные в пп.З, 4, 5. Рисунки для одинаковых частот можно изображать на одних и тех же графиках.

7. Собрать из элементов "Электронной мозаики" схему двухполупериодного выпрямителя согласно рис.6. Сглаживающий конденсатор, отделенный на схеме вертикальной пунктирной чертой, не подключать. Соединения, изображенные на рис. 6 кривыми линиями, при монтаже реализовать с помощью проводов.

Рис. 6

8. Установить на генераторе частоту f = 500 Гц и напряжение Ubx = 5 В. Получить на осциллографе устойчивую картину сигнала (на осциллограмме может проявляться сигнал наводки частотой 50 Гц, идущий поверх основного сигнала). Перерисовать на миллиметровую бумагу сигнал с соблюдением масштаба.

9. Подключить к схеме сглаживающий фильтр согласно рис. 6 и перерисовать на миллиметровую бумагу форму сигнала (можно использовать предыдущий график).

10.Зарисовать на новом графике форму выпрямленного напряжения без и с сглаживающей емкостью при частоте входного сигнала f = 5000 Гц.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. По построенным графикам зависимости выходного сигнала выпрямителей от времени, используя формулу (3), найти значение Ucp для всех четырех режимов.

2. По построенным графикам найти коэффициенты пульсации выпрямленного напряжения. Полученный результат сравнить с расчетным по формуле (2).

3. Написать заключение по работе, в котором привести все полученные результаты, их анализ и сравнение с расчетными.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Нарисовать принципиальную схему однополупериодного выпрямителя и график изменения напряжения на его выходе.

2. Нарисовать принципиальную схему двухполупериодного выпрямителя и график изменения напряжения на выходе.

3. Объяснить принцип действия сглаживающих фильтров в выпрямителях. Дать определение и объяснить метод вычисления коэффициента пульсаций.

4. Дать определение коэффициента пульсаций напряжения.

5. Какие требования к величине коэффициента пульсаций напряжения питания предъявляются в различных устройствах?

Литература

1. Л.З. Бобровников. Радиотехника и электроника. Учебник для ВУЗов. - 3 изд. М., Недра, 1980. §§ 82-85.

2. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие. Под ред. Г.Д. Петрухина. М., изд-во МАИ, 1993. §§ 16.1, 16.2.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 6