Подготовка к работе
Изучив теоретический материал, ответить на следующие вопросы.
В чем принципиальное отличие динамических характеристик от статических?
Какой вид должна иметь ВАХ нелинейного элемента, чтобы его можно было использовать для выпрямления переменного тока?
Нарисуйте форму кривой тока в нагрузке цепи с идеальным диодом при синусоидальном входном напряжении.
Что оценивает коэффициент пульсации? Как его подсчитать по осциллограммам и по показаниям приборов? Используя приведенные выше разложения в ряд Фурье, рассчитать теоретическое значение kП для всех схем выпрямления.
Программа работы
Выбрать модуль входного напряжения u1(t) для всех схем выпрямителей в соответствии таблицей 19.1.
Собрать электрическую цепь по схеме рис. 19.2,а , срисовать осциллограммы без фильтра и с фильтром, а показания приборов записать в таблицу 19.2.
Собрать электрическую цепь по схеме рис. 19.3,а. При разомкнутом положении ключа записать показания приборов и снять осциллограмму выходного напряжения выпрямителя. Для регистрации кривых u1(t) и u2(t) достаточно открытие диалогового окна команды Transient Analysis по пути Analysis < Transient. Рассчитать потенциалы узлов 1 и 2.
При замкнутом ключе (уменьшив количество расчётных точек до 100 или 150, рис. ниже) исследовать влияние величины емкости С фильтра на качество выпрямления. Для этого записать показания приборов и снять осциллограмму выходного напряжения выпрямителя при трех значениях емкости. Показания приборов записывать в табл. 19.3.
Изменяя сопротивление нагрузки при отсутствии ёмкостного фильтра (ключ разомкнут) и при С=100 мкФ, снять 8-10 показаний приборов, результаты измерений записать в табл. 19.3.
Построить графики внешних характеристик U 0(I 0) по данным таблицы 19.3.
Таблица 19.2
Выпрямитель |
Эксперимент |
Расчет |
|
|
||||||
U1 |
U0 |
U2 |
kП |
|||||||
В |
В |
В |
- |
В |
В |
|||||
Одно- полупериодный |
без фильтра |
12 |
5,099 |
6,258 |
1,667 |
16,3 |
7,41 |
|||
С = 20 мкФ |
12 |
15,97 |
417,8 |
0,041 |
16,286 |
14,853 |
||||
Двух-полупериодный |
без фильтра |
12 |
9,541 |
5,115 |
0,789 |
15,637 |
365,658 |
|||
С = 1 мкФ |
12 |
12,26 |
2,279 |
0,268 |
15,63 |
8,951 |
||||
С = 10 мкФ |
12 |
15,05 |
351,7 |
0,036 |
15,939 |
14,787 |
||||
С = 100 мкФ |
12 |
15,38 |
80,86 |
0,006 |
15,497 |
15,36 |
||||
Трехфазный с нулевым проводом |
12 |
13,36 |
2,565 |
0,292 |
16,302 |
7,964 |
||||
Схема Ларионова |
20,78 |
26,69 |
1,19 |
0,068 |
28,03 |
24,166 |
||||
Пример расчёта одной строки:
, (19.1)
где – наибольшая амплитуда одной из гармоник напряжения u2(t) на выходе выпрямителя; – максимальное и минимальное значение осциллограммы выходного напряжения; – действующее значение переменной составляющей выходного напряжения (показание вольтметра V2, не учитывающего ).
.
а) Однополупериодный выпрямитель
Теоретическое значение коэффициента пульсации
С фильтром
Теоретическое значение коэффициента пульсации
б) Двухполупериодный выпрямитель
С
фильтром
С
фильтром
С
фильтром
в) Трехфазный выпрямитель с нулевым проводом.
г) Схема Ларионова.
Таблица 19.3
U=12 В, С=0 |
|||||||||
R, кОм |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
U 0, В |
9,456 |
9,482 |
9,496 |
9,508 |
9,517 |
9,525 |
9,532 |
9,538 |
9,543 |
I 0:, мА |
4,728 |
3,161 |
2,374 |
1,902 |
1,586 |
1,361 |
1,191 |
1,060 |
0,954 |
U=12 В, С=100мкФ |
|||||||||
R, кОм |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
U 0, В |
15,07 |
15,13 |
15,16 |
15,18 |
15,23 |
15,24 |
15,37 |
15,41 |
15,38 |
I 0, А |
7,622 |
5,063 |
3,833 |
3,057 |
2,538 |
2,178 |
1,921 |
1,714 |
1,539 |
Собрать электрическую цепь по схеме рис. 19.4,а , записать показания приборов в табл. 19.2 и снять осциллограмму выходного напряжения выпрямителя.
Собрать электрическую цепь по схеме рис. 19.5,а , записать показания приборов в табл. 19.2 и снять осциллограмму выходного напряжения выпрямителя.
Измерить наибольшее и наименьшее значения выходного напряжения u2(t) на осциллограммах, полученных при исследовании выпрямителей. Вычислить средние значения коэффициента пульсации, рассчитанные по формулам (19.1) с использованием осциллограмм и показаний вольтметров для всех проведенных экспериментов. Записать средние значения коэффициентов пульсации в табл. 19.2 и сравнить эти коэффициенты с их теоретическими величинами.
Проанализировать полученные результаты и сделать выводы по работе, ответив на вопросы: Как объяснить понижение напряжения на выходе выпрямителя при увеличении тока нагрузки? Почему ёмкостной фильтр изменяет форму кривой напряжения на приёмнике при изменении тока нагрузки? Как объяснить несовпадение внешних характеристик выпрямителя при работе без фильтра и при включенном фильтре?
Вывод: В ходе лабораторной были рассчитаны коэффициенты пульсации для различных схем. Рассчитанные коэффициенты оказались соизмеримы с теоретическими с учетом погрешности.
Без фильтра выходное напряжение пульсирует между нулём и амплитудным значением.
С фильтром конденсатор заряжается до пикового значения и разряжается через нагрузку, сглаживая пульсации.
При увеличении тока нагрузки:
Конденсатор разряжается быстрее, увеличивается глубина пульсаций.
Среднее выходное напряжение снижается, так как конденсатор не успевает полностью заряжаться.
Несовпадение внешних характеристик с фильтром и без него
Без фильтра:
Напряжение падает линейно с ростом тока из-за активных потерь.
Пульсации значительные, но их форма не зависит от тока (острые импульсы).
С ёмкостным фильтром:
При малых токах напряжение близко к амплитудному (конденсатор успевает заряжаться).
При больших токах напряжение снижается быстрее из-за разряда конденсатора и роста пульсаций.
Внешняя характеристика становится нелинейной: круто падает вначале, затем более плавно.