Лабораторна робота № 7.

Дослідження некерованих випрямлячів і згладжуючих фільтрів (завдання)

Мета роботи:

-вивчити принцип роботи основних схем випрямлення змінного струму струму і згладжуючих фільтрів;

-оволодіти вмінням складання схем для дослідження параметрів випрямлячів змінного струму в програмному середовищі Electronics Workbench;

-дослідити різні схеми випрямлячів змінного струму і згладжуючих фільтрів та визначити їх характеристики.

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Випрямляч електричної енергії це - механічний, електровакуумний, напівпровідниковий або інший пристрій, призначений для перетворення змінного вхідного електричного струму в постійний вихідний електричний струм.

Випрямлячі класифікують за такими ознаками:

за рівнем використання півперіодів змінної напруги: однопівперіодні -

пропускають в навантаження тільки один півперіод коливань змінної напруги; двопівперіодні - пропускають в навантаження обидві півперіоди напруги; неповноперіодні та повноперіодні;

за схемою випрямлення: мостові; з множенням напруги; трансформаторні (безтрансформаторні); з гальванічною розв'язкою тощо;

за кількістю фаз: однофазні; двофазні; трифазні і багатофазні;

за керованістю: некеровані (діодні); керовані (тиристорні);

за наявностю пристроїв стабілізації: стабілізовані, нестабілізовані.

Випрямні пристрої, як правило, складаються з трансформатора, напівпровідникових діодів, які здійснюють випрямлення змінної напруги, і згладжуючого фільтра, що зменшує пульсації випрямленої напруги.

Вибір схеми випрямляча залежить від ряду факторів, які повинні враховуватися в залежності від вимог, що пред'являються до випрямного пристрою. До них відносяться: випрямлена напруга і потужність, частота пульсацій випрямленої напруги, число діодів, зворотна напруга на діоді, коефіцієнт використання потужності трансформатора, напруга вторинної обмотки.

Однопівперіодна схема випрямлення зазвичай застосовується при струмах навантаження до декількох десятків міліампер і в тих випадках, коли не потрібна висока ступінь згладжування випрямленої напруги. Ця схема характеризується низьким коефіцієнтом використання потужності трансформатора, оскільки використовується тільки один півперіод випрямленої напруги. Схема однопівперіодного випрямляча показана на рис.1.

Рис. 1. Однопівперіодний випрямляч: схема та вхідна U1 і вихідна Ud напруги

Рис. 2. Схема випрямляча з нульовим виводом: U1 - вхідна, Ud - вихідна напруги

У мостовій схемі чотири діоди з'єднані так, що під час однієї половини періоду працюють лише два з них, а під час наступної половини - два інші, струм через які протікає втому ж напрямку. При встановленні на верхній частині вторинної обмотки трансформатора полярності "+", а на нижній "‒" струм від вторинної обмотки протікає по колу VD1, Rн, VD4. А при зміні полярності на виводах вторинної обмотки трансформатора ‒ по колу VD3, Rн, VD2. Середнє значення випрямленої напруги Ud= 2Udm/ 0,9U2, а коефіцієнт пульсації Kп 0,67.

Перевагою схеми мостового випрямляча є те, що зворотна напруга на вентилі вдвічі менша порівняно зі схемою з нульовим виводом та високий коефіцієнт використання потужності трансформатора. Недоліком схеми є необхідність застосування чотирьох вентилів, що призводить до підвищених втрат в них і більшому падінню напруги у випрямлячі.

Рис. 4. Схема включення ємнісного фільтра

1/(2 fосн Сф) Rн або Cф 1/(2 fосн Rн ).

Ємнісний фільтр застосовують для малих струмів навантаження при великих Rн і малих ємностях Сф конденсатора фільтра.

Рис. 5. Схема індуктивного фільтра

1/(mωСф) << Rн; Rф>>1/(mωСф); Rн /(Rф +Rн) = 0,5...0,9.

Рис. 6. Схеми Г-подібних фільтрів: RСта LС -фільтрів

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1.Вивчити принцип роботи однофазних некерованих випрямлячів і згладжуючих фільтрів.

2.Нарисувати схеми однофазних випрямлячів та ємнісного й індуктивного фільтрів, рис.

1-5.

3. Запустити програму Electronics Workbench та зібрати схему однопівперіодного випрямляча з Г-подібним RС-фільтром, показану на рис. 7. У якості випрямного діода використати діод, вибраний при дослідженнях ВАХ діодів.

Рис. 7. Схема для дослідження однопівперіодного випрямляча і згладжуючого фільтра

4. Змінюючи значення опору резистора RН дослідити залежності значення амплітуди пульсації вихідної напруги випрямляча від величини струму навантаження Ап = f (Iн) при фіксованому значенні СФ, заданому викладачем. Дані занести в табл. 1.

Табл. 1. Експериментальні дані для залежності Ап = f (Iн).

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

5.Змінюючи значення опору резистора СФ дослідити залежності значення амплітуди пульсації вихідної напруги випрямляча від величини струму навантаження Ап = f (Iн) при фіксованому значенні RН, заданому викладачем. Дані занести в табл. 2.

6.Поступово збільшуючи значення опору резистора RН і збільшуючи значення ємності конденсатора СФ домогтися того, щоб вихідна напруга випрямляча була практично постійною.

Табл. 2. Експериментальні дані для залежності Ап = f(Cф).

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

7.Отримати осцилограми:

вихідної напруги випрямляча при фіксованому опорі RН = 1 кОм, без конденсатораСФ;

вихідної напруги випрямляча при фіксованих RН = 1 кОм і СФ = 100 мкФ;

вихідної напруги випрямляча при фіксованих RН і СФ , визначених у п.6.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

Поясніть принцип роботи однофазної однопівперіодної схеми випрямлення.

1. Поясніть принцип роботи однофазної мостової схеми випрямлення і схеми знульовим (середнім) виводом.

На відміну від однофазного однопівперіодного випрямляча в однофазному випрямлячі з нульовим виводом струм у навантаженні протікає двічі за період у тому ж самому напрямку.

При встановленні на верхній частині вторинної обмотки трансформатора полярності "+", а на нижній "-" вікривається вентиль D1 (D2 закритий) і струм протікає від вторинної обмотки через навантаження R. При зміні полярності на виводах вторинної обмотки трансформатора — вентиль D2 відкритий (D1 закритий), струм проходить через навантаження R. При цьому зворотня напруга на діодах буде вдвічі більшою, ніж на навантаженні R.

Магніторушійні сили, що зумовлені постійними складовими струмів вторинних обмоток направлені зустрічно. Тому перевагою схеми є відсутність вимушеного підмагнічування осердя трансформатора.

Недоліком цієї схеми є неповне використання трансформатора — в кожен момент часу працює лише одна половина вторинної обмотки.

2. Чому максимальне значення струму діода випрямляча різне для різних видів навантаження при тій самій потужності навантаження?

Однопівперіодна схема випрямлення зазвичай застосовується при струмах навантаження до декількох десятків міліампер і в тих випадках, коли не потрібна висока ступінь згладжування випрямленої напруги. Ця схема характеризується низьким коефіцієнтом використання потужності трансформатора, оскільки використовується тільки один півперіод випрямленої напруги. Схема однопівперіодного випрямляча показана на

3. Від чого залежить ККД випрямляча?

Втрати потужності в перетворювачі і його ККД пропорційно залежать від частоти комутації, з чого при проектуванні активного випрямляча випливає необхідність отримання аналітичних залежностей, що визначають максимальну частоту модуляції 4QS-перетворювача з гістерезисною системою керування.

4.Порівняйте мостову схему випрямляча зі схемою з нульовим (середнім) виводом.

При встановленні на верхній частині вторинної обмотки трансформатора полярності "+", а на нижній "-" струм від вторинної обмотки протікає по колу D1, R, D4. При зміні полярності на виводах вторинної обмотки трансформатора — по колу D3, R, D2.

Перевагою мостового однофазного мостового випрямляча є те, що у цієї схеми вдвічі менша зворотня напруга на вентилі, порівняно зі схемою з нульовим виводом та високий коефіцієнт використання потужності трансформатора.

Недоліком схеми є необхідність застосування чотирьох вентилів, що призводить до підвищених втрат в них і більшому падінню напруги в випрямлячі.

5. Поясніть принцип роботи різних схем фільтрів.

Акти́вний фільтр́ — один з видів аналогових електронних фільтрів, в якому присутній один або декілька активних компонентів, наприклад транзистор або операційний підсилювач.

У активних фільтрах використовується принцип відділення елементів фільтру від решти електронних компонентів схеми. Часто буває необхідно, щоб вони не впливали на роботу фільтру.

Існує декілька різних типів активних фільтрів, деякі з яких також мають і пасивну форму:

Фільтр високих частот — не пропускає частоти нижче за частоту зрізу.

Фільтр низьких частот —не пропускає частоти вище за частоту зрізу.

Смуговий фільтр — не пропускає частоти вище і нижче за деяку смугу.

Режекторний фільтр — не пропускає певну обмежену смугу частот.

6. Як здійснюється вибір конденсатора в ємнісному фільтрі? Коли застосовуєтьсяємнісний фільтр?

Ємнісний фільтр вигідно застосовувати при малому струмі навантаження (більше Rн) так, як при цьому вимагається менше місткості конденсатора фільтра.