Лабораторная работа № 11 Исследование маломощных выпрямителей и сглаживающих фильтров

Цели работы:

учебные:

- изучить процессы, происходящие в схемах выпрямителей;

- изучить работу и исследовать схему маломощного однофазного мостового выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку и с ёмкостным сглаживающим фильтром;

- уяснить роль сглаживающего фильтра.

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 11 компьютеров.

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

Схемы выпрямления позволяют получить выпрям­ленное, но пульсирую­щее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряже­ние непригодно: оно создает фон переменного тока на выходе, вызывает иска­жения сигналов, приводит к неустойчивой работе при­бора. Для устранения пульсаций (сглаживания) применяют сглаживающие фильтры (СФ) - устройства, предназначенные для подавления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потреби­теля. СФ бывают активные и пассивные.

Режим работы выпрямителя в значительной степени определяется типом сглаживающего фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпря­мителях, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяются про­стейшие ёмкостные фильтры, в выпрямителях средней и большой мощности - Г-образные LC- и RC-фильтры и П-образные СLC- и СRC-фильтры.

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания:

, (11.1)

где k _{п сх}– коэффициент пульсаций на входе фильтра; k_{п н}– коэффици­ент пульсаций на нагрузке.

1.1 Ёмкостной фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживаю­щих фильтров. Применение ёмкостного фильтра рационально при достаточно больших значениях сопротивления нагрузки и коэффициента пульсаций на на­грузке. Фильтр состоит из конденсатора, включенного параллельно нагрузке (рисунок 11.1).

Рисунок 11.1 – Схема выпрямителя с ёмкостным фильтром

Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода.

Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:

, (11.2)

где m – пульсность схемы, т. е. количество пульсаций за период. Для од­нофазного однополупериодного выпрямителя m = 1, для однофазного двухпо­лупериодного со средней точкой и мостового выпрямителя m = 2.

Во время некоторой части положительного полупериода, когда напряже­ние на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор C до напряжения E_m. В то время когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку R_н и создает на ней напряжение, которое посте­пенно снижается. В каждый последующий положительный полупериод конден­сатор подзаряжается и его напряжение снова увеличивается (Рисунок 11.2).

Рисунок 11.2 - Сглаживание пульсаций с помощью ёмкостного фильтра

Зарядка конденсатора через малое сопротивление диода VD происходит быстро. Разрядка на большое сопротивление нагрузки совершается гораздо медленнее. Вследствие этого напряжение на конденсаторе С и включенной параллельно ему нагрузке пульсирует незначительно. Кроме того конденсатор повышает постоянную составляющую выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя с ёмкостным фильтром находят по выражению:

, (11.3)

1.2 Индуктивно-ёмкостные фильтры (Г-образный LC-фильтр и П-образный CLC-фильтр) широко применяются при повышенных токах нагрузки, поскольку падение напряжения на них можно сделать сравнительно небольшим. КПД у таких фильтров достаточно высокий. Недостатки индуктивно-ёмкостных фильтров: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

Наиболее широко используется Г-образный LC-фильтр (Рисунок 11.3). Для эффективного сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо выполнение следующих условий:

, (11.4)

Рисунок 11.3 - Индуктивно-ёмкостный сглаживающий фильтр

При их выполнении, пренебрегая потерями в дросселе, для коэффициента сглаживания можно записать:

, (11.5)

Для того, чтобы избежать резонансных явлений в фильтре необходимо выбирать . Кроме этого, одним из основных условий является обеспечение явно выраженной индуктивной реакции фильтра на выпрямитель, необходимой для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя. При индуктивной реакции фильтра меньше действующие значения токов в вентилях и обмотках трансформатора.

П-образный CLC-фильтр отличается от описанного LC-фильтра наличием еще одной ёмкости С₀, включаемой на входе фильтра. Наибольший коэффициент сглаживания в П-образном фильтре достигается при С₀ = С₁.

1.3 Резистивно-ёмкостные фильтры целесообразно применять при малых токах нагрузки (менее 10…15 мА) и небольших требуемых коэффициентах сглаживания.

Простейший Г-образный RC-фильтр (Рисунок 11.4) состоит из балластного резистора R_ф и конденсатора С₁. Коэффициент сглаживания такого фильтра вычисляется по формуле:

, (11.6)

Рисунок 11.4 - Резистивно-ёмкостный сглаживающий фильтр

Сопротивление фильтра R_ф выбирают из условия допустимого падения напряжения на фильтре или исходя из заданного КПД. Минимальным считается КПД порядка ≈ 0,6 …0,8.

П-образный резистивно-ёмкостной фильтр (его схема включает дополнительный конденсатор, показанный на рисунке 11.4 пунктиром).

Комбинированные фильтры применяются при необходимости получения больших коэффициентов сглаживания на выходе выпрямителя. Они представляют собой последовательное включение нескольких фильтров. При каскадном включении LC-фильтров можно считать, что суммарный коэффициент сглаживания равен произведению коэффициентов сглаживания составляющих фильтр звеньев: .

1.4 Основной характеристикой выпрямителя является внешняя характеристика U_н = f(I_н). Она показывает, как изменяется напряжение U_н выпрямителя изменением выпрямительного тока I_н (тока нагрузки).

На рисунке 11.5 видно, что внешняя характеристика имеет наклон к ко­ординатным осям. Это объясняется уравнением (11.3), составленным согласно второму закону Кирхгофа для цепи выпрямительного тока I_н:

U_н = U2 – (R_т + R_д + R_ф)I_н, (11.7)

Где R_т, R_д, R_ф – сопротивления вторичной обмотки трансформатора, вентиля, сглаживающего фильтра.

Рисунок 11.5 - Внешняя характеристика выпрямителя с фильтром С_ф (1) и без фильтра (2)