Лабораторная работа № 10 Исследование характеристик основных схем выпрямителей

Цели работы:

учебные:

- исследование установившихся процессов в однофазных неуправляемых выпрямителях;

- экспериментальное определение КПД;

- расчет выходного сопротивления;

- снятие внешней характеристики выпрямителей при работе на активную нагрузку

воспитательные:

- формирование умения четко организовывать самостоятельную работу;

- формирование осознанных мотивов учения;

- развивать познавательный интерес к электронной технике;

Время выполнения – 2 часа.

Место выполнения работы – компьютерный класс на 11компьютеров.

Оснащение работы:

- ПК с минимальным набором технического оснащения;

- Windows XP, MS Office;

- программный комплекс Electronics Workbench для разработки радиоэлектрон-ных устройств;

- Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД. Справочник. – М.: Издательство стандартов, 1989.

1 Пояснение к работе

Выпрямление переменного тока может быть осуществлено либо с помощью электромеханических устройств, либо с помощью схем, включающих в себя нели­нейные элементы — вентили. Их главное нелинейное свойство — односторонняя проводимость. По количеству фаз переменного тока выпрямители бывают однофаз­ными и многофазными. По величине отношения выходного напряжения к входному — с умножением напряжения и без умножения. Если ток в нагрузке протекает в те­чение обоих полупериодов переменного напряжения, то такой выпрямитель явля­ется двухполупериодным (двухтактным), если ток в нагрузке протекает в течение только одного полупериода — однополупериодным (однотактным). Двухполупери­одный выпрямитель получается либо добавлением к однополупериодному (рисунок 10.1) второго такого же выпрямителя, работающего на нагрузку параллельно с первым, но от противофазного напряжения (схема с выводом в средней точке (рисунок 10.б), либо с использованием мостовой схемы (рисунок 10.в).

а) б) в)

Рисунок 10.1 – Схемы выпрямителей

а) однополупериодного; б) двухполупериодного с выводом в средней точке;

в) мостового

Работу выпрямителя можно продемонстрировать с помощью графиков (вре­менных диаграмм) напряжения на выходе выпрямителя или тока в нагрузке (рису­нок 10. 2).

Рисунок 10. 2 - Выпрямленное значение напряжения или тока

а) для однополупериодного выпрямления

б) для двухполупериодного выпрямления

Из графиков видно, что выпрямленное напряжение, оставаясь постоянным по знаку, периодически меняется по времени, т. е. пульсирует. Пульсация особенно велика при однополупериодном выпрямлении.

1.1 Как видно на осциллограммах (рисунок 10.2а) напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения рисунок 10.1а). В отрицательные полупериоды вентиль закрыт и напряжение в нагрузку подается только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора. При отсутствии конденсатора пульсации выпрямленного напряжения довольно значительны.

Недостатками такой схемы выпрямления являются: высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД, значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низким током потребления.

1.2 В двухполупериодном выпрямителе (рисунок 10.1б) используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора (или одну со средней точкой). Практически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде - с другой половины обмотки, через другой вентиль.

Преимущество: Эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций может быть в 2 раза меньше.

Недостатки: Более сложная конструкция трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

1.3 Основная особенность мостовой схемы (рисунок 10.1в) – использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.

При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: верхний вывод вторичной обмотки – вентиль VD4 – верхний вывод нагрузки – нагрузка - нижний вывод нагрузки - вентиль VD2 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка.

При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: нижний вывод вторичной обмотки – вентиль VD1 – верхний вывод нагрузки - нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль VD3 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка. Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку одинаково.

Преимущества: По сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.

Недостатки: Увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.

Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах. На основе этой схемы, при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора можно получить еще два варианта схем выпрямления:

На левой схеме отвод от средины вторичной обмотки позволяет получить еще одно напряжение, меньше основного в 2 раза. Таким образом, основное напряжение получается с мостовой схемы выпрямления, дополнительное – с двухполупериодной.

На правой схеме получается двуполярное напряжение амплитудой в 2 раза меньше чем получаемое в основной схеме. Оба напряжения получаются с помощью двуполупериодных схем выпрямления.