Лабораторная работа № 3 Исследование сглаживающих фильтров

Цель работыРассчитать и определить экспериментально основные параметры пассивных и активных фильтров. Исследовать зависимость этих параметров от тока нагрузки.Объекты исследования

1. Емкостный фильтр.

2. Индуктивный фильтр.

3. RC-фильтр.

4. Г - образный LC-фильтр.

5. П - образный LC-фильтр.

6. LC-фильтр с компенсацией.

7. LC-фильтр с параллельным резонансом.

8. LC- фильтр с последовательным резонансом.

9. Транзисторый фильтр.

Оборудование и приборы

1. Cтенд "Маломощный блок питания ЭС 1А.1".

2. Осциллограф.

3. Милливольтметр В3-38 или В3-33. Предназначен для измерения среднеквадратиче­ского значения напряжения произвольной формы.

Сглаживающие фильтрыПростейшие сглаживающие фильтры представляют собой дроссель, включенный после­довательно с нагрузкойили конденсаторC, включенный параллельно нагрузке. Коэф­фициент пульсации на выходе емкостного фильтрагдеr- сопротивление фазы выпрямителя;H- параметр, зависящий от угла отсечки тока диода, индуктивности рассеяния обмотки трансформатора и параметра.      Коэффициент сглаживания индуктивного фильтрагдеm- отношение частоты основной гармоники выпрямленного напряжения к частоте сети (в двухполупериодных схемахm=2);f_c- частота сети.      Для лучшего сглаживания пульсаций индуктивным фильтром необходимо выполнение условия. Это условие легко выполнить при малых сопротивлениях на­грузки, т.е. при больших токах; поэтому индуктивный фильтр применяют главным образом в мощных выпрямительных установках.      Для лучшего сглаживания пульсаций емкостным фильтром должно выполняться условие, которое проще удовлетворяется при больших сопротивлениях нагрузки, т. е. при малых токах; поэтому емкостный фильтр применяют главным образом в выпрямте­лях небольшой мощности.      Для получения больших коэффициентов сглаживания применяют схемы, состоящие из нескольких дросселей и конденсаторов.      Коэффициент сглаживания Г - образногоLC-фильтра(1) Если задан коэффициент сглаживания, определяют произведениеLC. Одним из основных условий выбораLиCявляется обеспечение индуктивной реакции фильтра, что выполняется при критическом значении индуктивности дросселя:Выбрав индуктивностьL, нетрудно определить емкость конденсатора из выражения (1).      Поскольку П - образныйLC-фильтр можно рассматривать как сочетание емкостного и Г - образногоLC-фильтра, его коэффициент сглаживания определяется произведением коэффи­циентов сглаживания этих фильтров:В выпрямителях небольшой мощности с целью уменьшения размеров и веса фильтра вме­сто дросселя часто применяют резисторы. Коэффициент сглаживания Г- образногоRC-фильтрагдеR_ф- сопротивление резистораR_ф, которое выбирается из условияR_ф=(0,1 - 0,9)R_нПостоянное напряжение на выходеRC-фильтраRC-фильтры могут выполняться по П - образной схеме. Расчет производится в той же по­следовательности, как и расчет П - образныхLC-фильтров.      Кроме рассмотренных схем существуют еще два вида фильтров, в которых для улучше­ния сглаживания пульсаций используются резонансные явления. Если параллельно дросселюLC-фильтра включить конденсаторC_ктакой величины, чтобы параллельный контурLC_кбыл настроен в резонанс на частоте основной гармоники, то переменная составляющая напряже­ния на нагрузке существенно снизится. Такой фильтр называется "фильтр-пробка". Его ко­эффициент фильтрациигдеr_L- активное сопротивление дросселя.      Недостатки этого фильтра: нарушение резонанса при изменении частоты тока сети и свя­занные с этим ухудшение фильтрации; нарушение резонанса изменении тока нагрузки вы­прямителя (тока подмагничивания дросселя), а следовательно иq; значительное снижение сопротивления резонансного контура для высших гармоник переменной составляющей вы­прямленного напряжения и связанное с этим значительное ухудшение фильтрации.      Если последовательно с конденсаторомLC-фильтра включить дроссель с индуктивностьютакой величины, чтобы контур был настроен в резонанс с частотой, то сглаживаю­щие свойства существенно улучшатся. Коэффициент фильтрациигдеr_к- сопротивление потерь в последовательном резонансном контуре.      Фильтр с последовательным резонансным контуром лишен двух основных недостатков, присущих фильтру с параллельным резонансным контуром, так как его коэффициент сгла­живания не зависит от нагрузки, а сопротивление для высших гармоник при введении резо­нансного контура практически не снижается. Недостатком фильтра является лишь ухудше­ние фильтрации при изменении частоты тока в сети.      Транзисторный фильтр представляет собой эмиттерный повторитель, входная цепь кото­рого включена на выход Г - образногоRC-фильтра (рис. 1).

Рис. 1. Простейший транзисторный фильтр.

     Переменная составляющая входного напряжения предварительно сглаживается RC-фильтром и поступает на вход эмиттерного повторителя. Так как напряжение на выходе эмиттерного повторителя повторяет напряжение на его входе, переменная составляющая на нагрузке равна переменной составляющей на выходеRC-фильтра.      Таким образом вели­чина переменной составляющей на нагрузке определяется параметрамиRC-фильтра, нагру­женного на высокоомный вход эмиттерного повторителя. При хороших усилительных свой­ствах транзистора коэффициент сглаживания определяется практически одной базовой це­пью фильтра:Напряжение на выходе транзисторного фильтра всегда меньше входного напряжения на величину минимального напряжения коллектор-база транзистора.      При увеличении тока нагрузки должен увеличиваться базовый токI_б. Для этого необхо­димо уменьшить сопротивлениеR:Для сохранения фильтрующих свойств необходимо увеличить емкость конденсатора. Если емкость конденсатора велика, увеличивается время установления напряжения (затяги­ваются переходные процессы). Для повышения коэффициента сглаживания целесообразнее применить составной транзистор. Если транзистор составлен из двух, то базовый ток мало­мощного транзисторагдеI₀- ток нагрузки;h₂₁₍₁₎иh₂₁₍₂₎- коэффициенты усиления по току в схеме с общим эмитте­ром соответственно первого и второго транзисторов. СопротивлениеRможно существенно увеличить, а значит, и повысить коэффициент сглажи­вания фильтра.Домашнее задание

     1. Определить параметры простейшего фильтра. Учитывая параметры нагрузки, выберите тип простейшего фильтра и рассчитайте индуктивность дросселя (или емкость конденса­тора). Напряжение на нагрузке U₀=20 В, частота токаf_c=50 Гц, выпрямитель собран по мос­товой схеме. Величина параметраH=200, сопротивление фазы выпрямителяr=30 Ом. Дан­ные для расчета простейших фильтров приведены в табл. 1.

Таблица 1

Номер варианта	Сопротивление Rн, Ом	Коэффициент пульсаций на выходе
1	430	0,006
2	100	0,08
3	430	0,03
4	100	0,08
5	430	0,006
6	100	0,1
7	430	0,03
8	100	0,80
9	430	0,006
10	100	0,1

Номер варианта выберите по указанию преподавателя.

     2. Приведите схему фильтра, рассчитайте коэффициент сглаживания q и коэффициент пульсаций на его выходе. Напряжение на выходе выпрямителя U₀=20 В, частота токаf_c=50 Гц, выпрямитель собран по мостовой схеме. Определите напряжение на выходе фильтра и КПД. Данные для расчета параметров пассивных фильтров приведены в табл. 2.

Таблица 2

Номер варианта	Rн, Ом	Параметр фильтра	Тип фильтра
1	430	C1=C2=1000 мкФ;L=1,3 Гн;rL=40 Ом	П-образный, LC
2	100	C=1000 мкФ;L=1,3 Гн;rL=40 Ом	Г-образный, LC
3	430	C1=200 мкФ;C2=2000 мкФ;L=1,2 Гн;rL=80 Ом	П - образный, LC
4	100	C=1000 мкФL=1,2 Гн;rL=80 Ом	Г - образный, LC
5	430	C1=C2=1000 мкФL=1,3 Гн;Cк=10 мкФrL=40 Ом	П - образный, LCс по­следовательным резо­нансом
6	100	L=1,2 Гн;rк=40 Ом;Cк=10 мкФ	Г - образный, LCс по­следовательным резо­нансом
7	430	Rф=30 Ом;C1=C2=1000 мкФ	П - образный, RC
8	100	Rф=30 Ом;C=1000 мкФ	Г - образный, RC
9	430	C1=C2=1000 мкФL=1,2 Гн;rL=80 Ом	П - образный, LC
10	100	C=2000 мкФL=1,2 Гн;rL=80 Ом	Г- образный, LC

     3. Приведите схему транзисторного фильтра, поясните его принцип действия и назначе­ние элементов схемы. Рассчитайте q,K_пвых. Напряжение на выходе выпрямителяU₀=20 В,f_c=50 Гц, выпрямитель собран по мостовой схеме. На выходе выпрямителя включен конден­саторC1. В базовой цепи транзистора КТ808А находится Г - образныйRC-фильтр. Данные для расчета активного фильтра приведены в табл. 3.

Таблица 3

Номер варианта	C1, мкФ	C, мкФ	R, Ом
1	200	200	200
2	1000	200	200
3	1000	2000	200
4	200	2000	200
5	200	200	50
6	1000	200	50
7	1000	2000	50
8	200	2000	50
9	200	2000	200
10	200	2000	50

     4. Составте таблицы для записи результатов экспериментального определения зависимо­стей коэффициента пульсаций на выходе К_пвых, КПД, коэффициента сглаживанияqот тока нагрузки. В таблицах должны быть графы для внесения показаний приборов, по которым бу­дут рассчитаны указанные зависимости, а также результатов расчетаК_пвых,q, КПД, получен­ные при подготовке к лабораторной работе.

Лабораторная работа № 4 Исследование управляемого выпрямителя Цель работы      Ознакомиться с работой однофазного двухполупериодного выпрямителя. Исследовать осциллограммы токов и напряжений выпрямителя, определить степень отличия их от тео­ретических. Исследовать внешние и регулировочные характеристики управляемого выпря­мителя. Объекты исследования Однофазный двухполупериодный управляемый выпрямитель. Схема импульсно-фазового управления тиристорами. Оборудование и приборы Стенд "Однофазный управляемый выпрямитель ЭС16" Осциллограф. Управляемые выпрямители      Управление величиной выходного напряжения выпрямителя можно производить с по­мощью автотрансформатора в цепи переменного тока, реостата или потенциометра в цепи выпрямленного тока. Однако подобные способы управления имеют существенные недос­татки, к которым, в первую очередь, относится низкий КПД вследствие значительного по­требления энергии в регулировочных элементах.      Наиболее экономичным способом управления выпрямленным напряжением является управляемое выпрямление. В управляемых выпрямителях в качестве управляемых венти­лей применяются тиристоры. Управление в выпрямителе сводится к управлению моментом отпирания тиристоров. На управляющий электрод тиристора периодически подаются им­пульсы напряжения uу, которые могут сдвигаться во времени по отношению к моменту по­явления положительной полуволны коллекторного напряженияuк(рис. 1). В результате ме­няется момент отпирания тиристора, начиная с которого и до конца положительной полу­волны коллекторного напряжения тиристор находится в открытом состоянии. Этот сдвиг обозначаетсяи называется углом управления. Такой метод управления называется им­пульсно-фазовым.      К управляющим импульсам напряжения предъявляются следующие требования: - высокая крутизна фронта; - амплитуда и длительность должны быть достаточными для надежного открывания.      Напряжение в цепь управления (рис. 1) подается через мостовой фазовращатель, со­стоящий из трансформатора с выводом средней точки вторичной обмотки, конденсатораCи переменного резистора. При изменении величины сопротивленияR, как видно из круговой векторной диаграммы (рис. 2, б), угол сдвига фазы выходного напряжения моста по отношению к выходному мо­жет изменятся от 0oдо 180oПри этом величина выходного напряжения моста остается не­изменной.      Управляющее напряжение после фазовращателя через диодыVD1иVD2, которые про­пускают только положительные полуволны синусоидального напряжения, поступают на два транзистораVT1иVT2. Питающее коллекторное напряжение подается на транзисторы с отдельного выпрямителя, собранного по мостовой схеме на диодахVD5 - VD8. Выходные напряжения, снимаемые с транзисторов, имеют трапецеидальную форму, так как на их входы подаются напряжения довольно значительной величины, выходящие далеко за пре­делы линейного участка переходной характеристики транзистора. Далее трапецеидальные напряжения дифференцируются, проходя через цепочкиR1C1иR2C2. На управляющие электроды тиристоровVS1иVS2поступают только положительные импульсы напряжения (рис. 3), так как отрицательные импульсы шунтируются диодамиVD3иVD4. а) б) в) Рис. 2. Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с импульсно-фазовым управлением (а); схема (б) и диаграмма фазовращателя (в) а) б) в) Рис. 3. Временные диаграммы работы двухполупериодного управляемого выпрямителя: а - напряжения на вторичной обмотке силового трансформатора и напряжения управления; б - нагрузка активная; в - нагрузка активно-индуктивная      Среднее значение выпрямленного напряжения при активной нагрузке (без учета потерь) гдеU2- действующее значение напряжения фазы вторичной обмотки трансформатора;- постоянное напряжение при=0. Среднее значение выпрямленного напряжения при активно-индуктивной нагрузкеЗависимости, выраженные формулами (1) и (2), называются регулировочными ха­рактеристиками.      Максимальное обратное напряжение на тиристореМаксимальное прямое напряжение на тиристоре при активной нагрузкепри активно-индуктивнойВ лабораторном стенде смонтирована двухполупериодная схема выпрямителя на тири­сторах с выводом нулевой точки трансформатора. Изменение активного сопротивления на­грузки осуществляется переключателем В3. Включение активной и активно-индуктивной нагрузок осуществляется переключателем В2. Величины среднего значения выпрямленного напряжения и выпрямленного тока измеряются приборами, расположенными на передней панели. Для управления тиристорами применена импульсно-фазовая схема.Домашнее задание1. Начертите схему однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с им­пульсно-фазовым управлением. Покажите включение приборов для измерения напряжения на вторичной обмотке силового трансформатораU2, выпрямленных напряженияU0и токаI0. 2. Начертите временные диаграммы работы этой схемы. Характер нагрузки и виды времен­ных диаграмм указаны в табл. 1. Индексы означают: 2 - вторичная обмотка силового трансформатора; 0 - нагрузка; а1- первый тиристор; а2- второй тиристор; К1 - коллектор транзистора VT1 схемы управления; К2 - коллектор транзистора VT2 схемы управления. Номер варианта выберите по указанию преподавателя. Сначала приведите временные диаграммы напряжения на вторичной обмотке трансформа­тора и напряжения управления Uу. Таблица 1 Номер варианта Угол управления 30o 60o 90o 150o 1 R(uk1, uу1, u0)       2 RL(uk1, uу1, u0)       3   R(uу1,ia1,u0)     4   RL(uу1, ia1, u0)     5     R(uу2, ua2, u0)   6       R(uу2, ia2, ua2) 7 RL(uу1, i0, ua1)       8   RL(ia1, ua1, u0)     9     R(ia2, ua2, u0)   10       R(uk2, ia2, u0) 3. Приведите регулировочную характеристику выпрямителя с нагрузкой, указанной в табл. 1. 4. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора, U2=20 В. Угол управления и харак­тер нагрузки заданы в табл. 1. Определите постоянное напряжение на нагрузке, максималь­ное обратное и максимальное прямое напряжение на тиристоре.