Лабораторная работа №6 исследование характеристик мостового однофазного выпрямителя на полупроводниковых диодах (файл Lab.6 )

6.1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование однофазного двухполупериодного бестрансформаторного выпрямителя, собранного по мостовой схеме. Определение коэффицентов пульсаций при различных сопротивле­ниях нагрузки и величин емкости сглаживающего пульсации конден­саторного фильтра.

6.2 Краткие теоретические сведения

Выпрямители используются для преобразования переменного синусои­дального или импульсного напряжений в постоянное. В настоящее время, практически всегда используются импульсные выпрямители на полупровод­никовых приборах. Еще несколько лет назад на входе большинства вы­прямителей включался сетевой трансформатор. Он использовался для повышения или понижения напряжения до величины, необходимой для получения на выходе выпрямителя требующейся величины выпрям­ленного напряжения. Недостатками такой схемы построения выпрями­теля являлся большой вес и габариты входного трансформатора, а также низкий кпд выпрямителя, равный 40…50%.

В настоящее время наибольшее применение находят импульсные выпрямители, со­стоящие из трехфазного или мостового входного выпрямителя без се­тевого трансформатора, инвертора и выходного импульсного выпрями­теля. Функциональная схема импульного выпрямителя приведена на рис.6.1.

Рис.6.1.Функциональная схема импульсного выпрямителя.

При такой схеме построения выпрямителя отпадает необходимость во входном трансформаторе, а благодаря импульсному режиму работы удается увеличить кпд выпрямителя до 90…95%. В выпрямителях, пи­тающихся от однофазной электрической сети, входной сетевой выпрямитель, как правило, выполняется по мостовой схеме c конденсатором С_Ф на выходе. Выходное выпрямленное напряжение мостового выпрямителя U₀ ,близко по величине к максисмальному значению напряжения сети (Um). При напряжении сети, равном 220в U₀ немного превышает 300В.Это напряжение подается на коллектор биполярного транзистора, на котором выполнен инвертор напряжения. Инвертор преобразует постоянное напряжение в последовательность импульсов импульсов, следующих с частотой повторе­ния, равной нескольким десяткам килогерц.

Ширина импульсов на (τ) вы­ходе инвертора может изменяться в широких пределах ( широтно - импульсная модуляция – ШИМ), Кроме того одновременно может в широких пределах изменяться и частота повторения импульсов ( частотно –импульсная модуляция –ШИМ). Изменение длительности и частоты повторения импулсов достигается путем подачи на базу биполярного транзистора на котором выполнен инвертор соответствующих импульсов от устройства управления («Устр. упр.»). Применение широтно-импульсной и частотно –импульсной модуляций позволяет получить на выходе выпрямителя постоянное напряжение различной величины. С выхода инвертора импульсы подаются на понижающий высоко частотный трансформатор и затем на импульсный выпрямитель ( В2), на выходе которого включено сопротивление нагрузки Z_н . Выпрямленное напряжение на выходе емкости фильтра (не показана на рисунке) прямо пропорционально амплитуде импульсов, частоте повторения и длительности импульсов Включение понижающего трансформатора позволяет снизить выпрямленное напряжение до требующейся обычно очень малой величины (например, для питания современных интегральных схем требуются напряжения величиной 1.5В...2,0 В).

Для поддержания выходного напряжения на нагрузке Z_н постоянным и уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения параллельно Z_н включается высокоомный делитель напряжения (не показан на рисунке), с которого часть выпрямленного напряжения подается компаратор (Компар.- сравнивающее устройство) На другой вход компаратора подается опорное напряжение Uоп, равное по величине напряжению, которое нам желательно поддерживать постоянным на сопротивлении нагрузки Z_н (например, Uвых,₀ = Uоп = 2,0 В).

С выхода компаратора регулирующее напряжение Uр подается на устройство управления(«Устр. упр.»). В том случае, когда напряжение Uвых на нагрузке Z_н оказывается меньше Uвых,₀ = Uоп = 2,0 В, регулирующее напряжение повышает частоту следования или длительность импульсов на выходе инвертора и соответственно на нагрузке Z_н .В результае Uвых, увеличивается и становиться равным Uвых,₀ . В случае, когда Uвых по каким-нибудь причинам оказывается больше Uвых,₀ регулирующее напряжение Uр изменяет знак и понижает частоту повторения импульсов или их длительность. В результате напряжение Uвых, уменьшается и становится равным Uвых₀ . На таком принципе строятся в настоящее время вторичные источники питания ЭВМ.

Для облегчения понимания принципов построения и работы вы­прямителей целесообразно вернуться к рассмотрении работы простейшего однофаз­ного, однополупериодного выпрямителя на одном полупроводниковом диоде. На рис. 6.2. приведены принципиальная схема и временные диа­граммы токов и напряжений простейшего однофазного однополупе­риодного выпрямителя с конденсатором С_ф, включенном парал­лельно резистору нагрузки (Rн).

6.2.Принципиальная схема и временные диаграммы токов и на­пряжений однофазного, однополупериодного выпрямителя с емко­стным фильтром Сф.

Рассмотрим работу выпрямителя в установившемся режиме. Ток через диод (i_а) протекает только тогда, когда напряжение на вто­ричной обмотке трансформатора U₂(t) больше напряжения на конденсаторе (Uc), что соответствует интервалам времени t₁-t₂ и t₃-t₄. За это время t₁-t₂ происходит заряд конденсатора Сф. Как правило, по­стоянная времени заряда конденсатора τ_зар=Rд•Cф (где Rд –сопротив­ление диода постоянному току) выбирается значительно меньше вели­чины полупериода U₂(t) ,равного 10мс при частоте колебаний напряже­ния сети 50Гц. В этом случае конденсатор Сф успевает зарядится до величины близкой к амплитудному значению напряжения Um₂ на вы­ходе вторичной обмотки трансформатора. Точнее заряд конденсатора продолжается до величины (Um₂-Uд ,где Uд –падение напряжения на полупроводниковом лиоде) а затем начинается его разряд, так как на­пряжение U₂(t) оказывается меньше Uс. В тех случаях, когда величина емкости Сф выбрана очень большой и соответственно очень большой оказывается постоянная времени заряда конденсатора (τ_зар.=Rд•Cф) конденсатор Сф не успевает зарядиться до амплитудного значения на­пряжения Um₂ и его заряд продолжается после прохождения ампли­тудного значения Um₂ (см.Рис.6.2.). При этом только с момента вре­мени t₂ напряжение U₂ (t) становится меньше напряжения на конденса­торе Uc, диод запирается и конденсатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки R_H .

Время разряда конденсатора определяется постоянной времени разряда (τ_раз= Rн•Сф) и, как правило, значительно больше, чем время заряда. К диоду в это время прикладывается запирающее нап­ряжение, максимальное значение которого почти равно удвоенному значению Um₂ и он практически не влияет на разряд конденсатора. Разряд кон­денсатора продолжается до момента времени t₃. В этот момент напря­жение U₂(t ) вновь становится больше напряжения на конденсаторе ( Uc), диод открывается и ток Iа начинает заряжать конденсатор Cф и т. д. Необходимо отметить, что в выпрямители с конденсатором Сф ток через нагрузку протекает все время. Напряжение на нагрузке, вклю­ченной параллельно с конденсатором, повторяет форму напряжения на конденсаторе и изменяется во времени. Величина изменений выпрям­ленного напряжения (пульсации напряжения) тем меньше, чем больше постоянная разряда конденсатора, то есть чем больше величина емко­сти Сф и сопротивления нагрузки Rн.

Существенным недостатком однополупериодных выпрямителей является неравномерная нагрузка сети переменного тока, так как вы­прямители этого типа потребляет электроэнергию только во время по­ложительного или отрицательного полупериодов переменного напря­жения U₁(t ).Поэтому, как правило, для получения постоянного напря­жения используются двуполупериодные выпрямители, более равно­мерно загружающие электрическую сеть. Примером такого выпрями­теля является выпрямитель с включение диодов по мостовой схеме.

На рис. 6.3. приведена принципиальная схема однофазного двуполу­периодного выпрямителя, собранного по мостовой схеме. На этом же рисунке приведены временные диаграммы, поясняющие работу вы­прямителя.

Рис.6.3. Принципиальная схема мостового двухполупериодного одно­фазного выпрямителя (а) и временные диаграммы (б,в,г), поясняю­щие процесс получения постоянного напряжения.

В рассматриваемой схеме переменное напряжение сети U₁(t) с по­мощь трансформатора увеличивается или уменьшается до величины U₂(t), необходимой для получения заданной величины напряжения на выходе выпрямителя (Uн).

С вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение U₂(t) подается на мостиковый выпрямитель. В течение положи­тельного полупериода напряжения U₂(t) ток протекает через диоды В₁ и В_З, а диоды В₂ и В₄ закрыты. В течение отрицатель­ного полупериода напряжения U₂(t) ток протекает через диоды В₂. В₄,а диоды В₁ и В_З закрыты. При подключении конденсатора Сф (переключатель (S) - замкнут), диоды открываются только в те интервалы времени, когда U₂(t) больше, чем напряжение на кон­денсаторе Сф. В результате через диоды протекает импульсный ток i_d (см. рис. 6.3. в), заряжающий конденсатор фильтра Сф. За время протекания тока конденсатор Сф заряжается до напряжения Uc макс, которое на величину 2Uд меньше максимального напряже­ния Um ₂. (2Uд -падение напряжения на двух диодах при протекании через них тока в прямом направлении)

После того, как U₂(t) становится меньше напряжения на конденса­торе(Uс макс), ток через диоды i_d(t) перестает протекать и конден­сатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки Rн. Сопротивления диодов в обратном направлении значительно больше сопротивления нагрузки и обратным током через диоды можно пре­небречь, Постоянная времени разряда конденсатора при этом равна τ_раз=Сф· Rн. Чем больше величина сопротивления нагрузки и больше величина емкости, тем меньше успевает разрядиться конден­сатор Сф до того момента времени, когда напряжение U₂(t) станет больше Uс и снова начнется заряд конденсатора и соответственно меньше пульсации выпрямленного напряжения. Поэтому на выходах выпрямителей в ЭВМ, для уменьшения пульсаций напряжения на выходе выпрямителей включают конденсаторы, емкость которых со­ставляет доли Фарады. Дополнительное уменьшение величины пульсаций на выходе выпрямителя обеспечивают также стабилиза­торы напряжения.

Коэффициент пульсаций определяется отношением амплитуды пе­ременной составляющей напряжения на выходе выпрямителя (Um~) к постоянной составляющей, равной среднему значению выпрямленного напряжения (Uвых= Uн =Uср.)

Kп=Um~/Uср.

Зависимость от времени тока (Iн), протекающего через сопротив­ление нагрузки, приведена на рис.6.3.г. На рисунке 6.3.в. пунктиром изображена также временная диаграмма изменения токов, протекаю­щих через диоды i_d(t) при разомкнутом переключателе S, т. е. при вы­ключенном конденсаторе. При этом на нагрузке образуется напряже­ние, повторяющие по форме напряжение U₂(t) удвоенной частоты.

В импульсных выпрямителях для уменьшения пульсаций напря­жения, на выходах выпрямителей раньше включались Г-образные фильтры нижних частот. Обычно фильтры нижних частот строились с использованием катушек индуктивности и конденсаторов. У катушек индуктивности активное сопротивление постоянному току мало, а ин­дуктивное сопротивление переменного току линейно увеличивается с ростом частоты (Х_L=wL). Сопротивление конденсатора переменному току уменьшается с ростом частоты (Хс=1/wС).В результате при вклю­чении катушки индуктивности последовательно, а емкости парал­лельно с нагрузкой, падение напряжения на нагрузке от переменной составляющей тока снижается, т.е. пульсации выпрямленного тока уменьшаются.

В современных интегральных схемах фильтры нижних частот с катушками индуктивности или с резисторами практически не приме­няются, так как размеры индуктивностей и резисторов в тысячи раз превышают размеры транзисторов. В случае необходимости включения резистора вместо него включаются транзисторы. Уменьшение пульса­ций выпрямленного напряжения достигается в результате использова­ния емкостей большой величины (доли Фарады) включаемой парал­лельно сопротивлению нагрузки.