Лабораторная работа № 2 Исследование однофазных выпрямителей

Цель работыИсследовать внешние характеристики и определить основные параметры однофазных выпрямителей. Снять осциллограммы токов и напряжений выпрямителя, определить степень отличия их от теоретических.Объекты исследования

1. Однополупериодная схема выпрямления.

2. Двухполупериодная схема выпрямления с нулевым выводом (основная).

3. Мостовая схема выпрямления.

4. Схема удвоения напряжения.

Оборудование и приборы

1. Стенд "Маломощный блок питания ЭС1А/1"

2. Осциллограф

Однофазные выпрямителиДля питания электронных устройств требуется энергия постоянного тока. Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется в выпрямителе. При анализе работы выпря­мительных схем вентили (диоды) и трансформаторы полагают идеальными, т. е. считают что сопротивление вентиля в прямом направлении равно нулю, а в обратном бесконечно велико, потери энергии в обмотках трансформатора не происходит.       Однополупериодная схема изображена на рис. 1,а, временные диаграммы, поясняющие ее работу на активную нагрузку - на рис. 1, б. Ток и напряжение в нагрузкеиимеют пульсирующий характер. Основные электрические параметры однополупериодной схемы выпрямления:- среднее значение выпрямленного напряжения;- среднее значение выпрямленного тока;- максимальный прямой ток вентиля;- максимальное обратное напряжение на вентиле;- коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения;- типовая мощность трансформатора. а)

б)

Рис. 1. Однополупериодная схема выпрямления (а) и временные диаграммы при активной нагрузке (б)

     Большие пульсации, низкая частота основной гармоники выпрямленного напряжения (равная частоте сети), большие размеры трансформатора, вызванные плохим использованием его обмоток и вынужденным намагничиванием сердечника постоянной составляющей вы­прямленного тока, а также большое обратное напряжение на вентиле являются существен­ными недостатками этой схемы, ограничивающими ее использование. а)

б)

Рис. 2. Двухполупериодные выпрямители (а) и временные диаграммы при активной нагрузке (б)

     Более широкое применение получили двухполупериодные выпрямители (см. рис. 2, а, б), схема которых является сочетанием двух однополупериодных схем, работающих на общую нагрузку. Вентили открываются попеременно на половину периода, поэтому кривая напря­жения на нагрузке по величине и форме повторяет положительные полуволны напряжений ивторичных полуобмоток трансформатора. Основные электрические параметры схемы:;;;;;.      Снижение типовой мощности и лучшее использование транс­форматора объясняется отсутствием вынужденного намагничивания сердечника посто­янной составляющей тока вторичной обмотки.      Среднее значение выпрямленного тока и напряжения в два раза больше, а пульсации зна­чительно меньше, чем у однополупериодных выпрямителей.      Недостаток двухполупериодной схемы заключается в трудности изготовления трансфор­матора с двумя симметричными полуобмотками.      Этого недостатка лишена мостовая схема выпрямления (рис. 3, а). а)

б)Рис. 3. Мостовая схема (а) и временные диаграммы при емкостном характере нагрузки (б).

     В течение первого полупериода напряжения вентилиVD1иVD3открыты и в нагрузоч­ном резисторе возникает ток. В это время вентилиVD2иVD4закрыты. В другой полупе­риод напряжения вентилиVD1иVD3закрываются, аVD2иVD4открываются.      Ток по нагрузке протекает в том же направлении, что и в первый полупериод.      Временные диаграммы работы мостового выпрямителя имеют тот же вид, что и диа­граммы работы двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом. Исключение состав­ляет зависимость, поскольку между анодом и катодом вентиля в непроводящем на­правлении приложено напряжение вторичной обмотки трансформатора, т. е.уменьша­ется в два раза:Типовая мощность трансформатора в мостовой схеме меньше, чем в других схемах:Величины выпрямленных напряжений и тока, а также коэффициента пульсаций имеют то же значение, что и в двухполупериодной схеме с нулевым выводом.      Ввиду того, что коэффициент пульсаций напряжения, питающего электронные устрой­ства, не должен превышать, полученное непосредственно с выпрямителя напряжение использовать нельзя. Для уменьшения пульсаций напряжения применяют сгла­живающие фильтры, состоящие из конденсаторов и катушек индуктивности.      Емкостный фильтр включается параллельно(на рис. 3 ключ К замкнут) и шунтирует нагрузку для переменной составляющей тока.      Временные диаграммы, поясняющие работу мостового выпрямителя на активно-емкост­ную нагрузку, приведены на рис. 3, б. Ток в вентиляхVD1иVD3протекает в интервале вре­мени, в результате чего конденсатор заряжается до напряжения, близкого к. В течение временинапряжение, все вентили закрыты, а конденсатор разряжа­ется черезс постоянной времени. В момент временинапряжениестано­вится меньше, вентилиVD2иVD4открываются, конденсаторCначинает заря­жаться и процессы повторяются.      Среднее значение выпрямленного напряжения увеличивается, но также возрастает обрат­ное напряжение на вентиле до величиныРасчет выпрямителя, работающего на активно-емкостную нагрузку, является весьма сложной задачей. Однако во многих случаях ее можно решить путем принятия ряда допуще­ний. Основным упрощающим допущением , принимаемым при анализе этих схем, является предположение бесконечно большой емкости конденсатора, включенного параллельно на­грузке, и как следствие этого - неизменность во времени выпрямленного напряжения.      Методика расчета приведена в /3, с. 118 - 119/.      Индуктивный фильтр включается последовательно с нагрузкой (на рис. 2, а ключ К ра­зомкнут) и представляет большое сопротивление для переменной составляющей тока, в ре­зультате чего переменная составляющая выпрямленного тока значительно уменьшается и падение напряжения от этой составляющей на сопротивлении нагрузкиRнстановится незна­чительным.      Следует иметь в виду, что напряжениедействует на фильтре и нагрузке, а форма кривой напряжения на активном сопротивлении нагрузки совпадает с формой кривой тока(рис. 4, а). ЭДС самоиндукции, возникающая в фильтре, препятствует нарастанию и сниже­нию тока, в результате чего в однополупериодной схеме протекание тока через вентиль про­исходит и в течение некоторой части отрицательного полупериода. Во время протекания тока через вентиль, а напряжение на вентиле. В момент прекращения проте­кания тока в цепивозрастает скачком до. В дальнейшемпо форме повто­ряет. Пульсации тока в нагрузке практически не уменьшаются, поэтому в однополупериод­ных выпрямителях индуктивность в качестве фильтра не применяется.      Эффективнее индуктивный фильтр работает в двухполупериодных выпрямителях. Им­пульсы тока, проходящие поочередно через вентилиVD1иVD2, создают внепрерывный ток. Напряжение на вентилепо форме такое же, как и при чисто активной нагрузке (рис. 4, б).

Рис. 5. Схема удвоения

     Схема удвоения напряжения приведена на рис. 5. Она состоит как бы из двух однополу­периодных выпрямителей, соединенных между собой последовательно и работающих на общую нагрузку. Первый выпрямитель состоит из вентиля VD1и конденсатораC1, второй - из вентиляVD2и конденсатораC2. В течение положительного полупериодаC1заряжается через вентильVD1до напряжения. Так как конденсаторыC1иC2соединены последова­тельно, то напряжения на них суммируются и общее напряжение на выходе вы­прямителяОбратное напряжение на каждом из вентилей равно сумме амплитудного значения на­пряженияи напряжения на конденсаторе:Так как напряжения на конденсаторах сдвинуты по фазе на половину периода, то суммар­ное напряжение изменяется с удвоенной частотой, т. е. частота основной гармоники выпрям­ленного напряжения равна удвоенной частоте сети. КонденсаторыC1иC2- элементы схемы выпрямления, поэтому выпрямитель всегда работает на емкостную нагрузку. Временные диаграммы токов,, напряженийитакие же, как в мостовой схеме сRCнагруз­кой.      Основным преимуществом схемы удвоения перед другими схемами однополупериодного выпрямления является возможность получения большего выпрямленного напряжения, чем в схеме с нулевым выводом при одном и том же значении напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора.      К числу недостатков схемы удвоения следует отнести большое внутреннее сопротивле­ние, обусловленное тем, что два входящих в схему выпрямителя соединены последова­тельно.Домашнее задание

1. Начертите схемы выпрямителей, указанные в табл. 1. Покажите включение приборов для измерения напряжения на вторичной обмотке трансформатора , выпрямлен­ных напряженияи тока.

2. Начертите временные диаграммы работы этих схем. Характер нагрузки и виды времен­ных диаграмм указаны в табл. 1. Индексы означают:

2 - вторичная обмотка трансформатора; 0 - нагрузка; а - вентиль.

Номер варианта выберите по указанию преподавателя.

Таблица 1

Номер вари­анта	Схема выпрямления
	Однополупериодная	двухполупериодная c нулевым выводом	мостовая	удвоенная
1	RC(ia,u0)	RL(i2,ua)
2	RL(ia,u0)	RC(ia,ua)
3		RL(ia,u0)		RC(i2,ua)
4		RC(ia,ua)		RL(i2,u0)
5	RC(ia,u0)		RL(i2,ua)
6	RL(ia,ua)		RC(i2,ua)
7			RL(ia,ua)	RC(i2,ua)
8			RC(ia,u0)	RL(i2,ua)
9		RL(ia,ua)	RC(i2,u0)
10		RC(i2,ua)	RL(ia,u0)

3. Заполните табл. 2.

Таблица 2

Схема (нагрузка активная)	U0/U2	I0/I2	Ia max/I0	Uобрmax/U0	PT/P0	Kп
однополупериодная
двухполупериодная
мостовая

     Рассчитайте выпрямитель, создающий на нагрузке постоянное напряжение 20 В при токе 0,2 А. Напряжение сети равно 220 В, частота 50 Гц. Конденсаторы, входящие в схему вы­прямителя и фильтра, имеют общую емкость 200 мкФ. Выберите ту схему выпрямления из рассмотренных в п. 1 и п. 2, характер нагрузки которой активно-емкостной. Необходимо вы­брать диоды, а также определить типовую мощность и коэффициент трансформации транс­форматора.      Приведите уравнение внешней характеристики выпрямителя.