Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы электротехники. Часть 2. Лабораторный практикум
.pdf
Часть 2. Исследование неразветвленной цепи
с нелинейными элементами
5. По заданной преподавателем схеме неразветвленной цепи, содержащей один или несколько нелинейных элементов, резистор и
источники напряжения, рассчитать графическим методом рабочую
точку и найти ток и напряжение на каждом элементе.
6. Собрать схему заданной цепи и экспериментально измерить ток
и напряжение на элементах. Сравнить с результатами расчетов.
Часть 3. Исследование разветвленной цепи
с тремя нелинейными элементами
7. Собрать цепь по рис. 4.2, а, последовательно разместив в ветвях
нелинейные элементы НЭ
размещение НЭ и ЭДС, а также значения Е
, НЭ3, НЭ4. Тщательно записать в тетради
2
и Е2 и их полярности.
1
8. Измерить и записать точки во всех ветвях, напряжение между
узлами.
9. Произвести графический расчет токов в цепи методом двух узлов и сопоставить результаты опыта и расчета.
10. Собрать нелинейную цепь в EWB.
Домашнее задание
Отчет должен содержать схемы измерений, графики ВАХ нели-
нейных элементов, расчеты по п. 5, 9, 11.
Вопросы к защите лабораторной работы
1. Что откладывается по осям абсцисс X и ординат Y при построении потенциальной диаграммы?
1) По оси X – потенциал точек, по оси Y – сопротивления между
точками.
2) X – значения токов, Y – сопротивления между сопротивления
между точками.
3) X – сопротивления между точками, Y – потенциал точек.
4) X – значения напряжений, Y – значения токов.
2. Два нелинейный резистивных элемента с одинаковыми вольтамперными характеристиками (см. рис.) соединены параллельно. Если напряжение на входе цепи равно 20 В, то ток на входе равен …А
51
1) 6
2) 3
3) 4
4) 8
3. На рисунке приведен рабочий участок вольт-амперной характеристики полупроводникового стабилитрона. Между статическими
сопротивлениями в точках 1, 2 и 3 верно соотношение ….
> R
= R
< R
< R
ст 2
ст 2
ст 2
ст 2
> R
= R
< R
< R
ст 3
ст 3
ст 3
ст 3
1) R
2) R
3) R
4) R
ст 1
ст 1
ст 1
ст 1
Библиографический список
1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические
цепи: учеб. – М.: Гардарики, 2009.
52
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ,
СОДЕРЖАЩИХ ДИОДЫ
Цель работы заключается в изучении работы одно- и двухполупериодных схем выпрямления, анализе сглаживания пульсаций с помощью простейших фильтров, расчетов токов и напряжений в нагрузке и сопоставлении результатов расчета и эксперимента.
Теоретическое введение
Выпрямление переменного тока
В данной работе проводится анализ схем однополупериодного и
двухполупериодного выпрямления с использованием полупроводниковых диодов. ВАХ реального неуправляемого диода (кривая 1,
рис. 5.1) имеет ветвь прямого тока при U > 0 и ветвь обратного тока
при U < 0. Обратный ток i
у качественных диодов очень невелик
обр
(единицы микроампер). Прямой ток может достигать у мощных диодов десятков ампер. При теоретическом исследовании процессов выпрямления реальный диод мы заменяем идеальным, имеющим прямоугольную ВАХ (кривая 2, рис. 5.1)
Рис. 5.1
На рис. 5.2, а показана простейшая схема однополупериодного
выпрямления, работающая на резисторную нагрузку. При входном
напряжении u(t) = U
sin ωt ток и напряжение на Rн имеют вид поло-
m
жительных полуволн рис. 5.2, б. Моменты отпирания и запирания
53
диода определяются соответственно моментами перехода напряжения и тока через нулевые значения
а б
Рис. 5.2
В мостовой схеме двухполупериодного выпрямления, рис. 5.3, а,
при входном напряжении ток в нагрузку поступает в каждый полупериод (рис. 5.3, б), и имеет форму двух положительных полуволн
it U t=ω
() sin .
Hm
В положительные полупериоды входного напряжения диоды D
открыты, а D3 и D4 закрыты, в отрицательные полупериоды диоды
D
2
и D2 заперты, а D3 и D4 открыты.
D
1
() sin ,
Напряжение по нагрузке R
равно
н
повторять по форме кривую тока. Функции i
Ut U t=×ω
Hm
(t), Uн(t), в этих случаях
н
и будет
состоят из суммы постоянной составляющей и гармоник.
а б
Рис. 5.3
54
1
и
В схеме однополупериодного выпрямления постоянные составляю-
щие напряжения, или средние за период значения напряжения и тока
T
равны: U
1
UUdt
=
0
T
0
= Um/π, I0 = Im/π. Первая, вторая и четвертая гармоники на-
0
H
пряжения имеют амплитуды соответственно U
T
1
Iidt
=
0
T
/2, 2Um/3π, 2Um/15π.
m
H
0
В схеме двухполупериодного выпрямления постоянные составляющие напряжения и тока в два раза больше, чем в схеме однополупериодного выпрямления. Первая гармоника отсутствует. Вторая,
четвертая и шестая гармоники напряжения имеют амплитуды соответственно: 4U
/3π, 4Um/15π, 4Um/35π.Действующее значение пере-
m
менного тока в нагрузке:
T
1
2
Iidt
=
T
.
H
0
Для схемы двухполупериодного выпрямления
I
m
I =
,
2
то есть такое же, как для синусоидального тока.
Для схемы однополупериодного выпрямления действующее значение тока в
2 раз меньше, чем в схеме двухполупериодного вы-
прямления.
Сглаживание пульсаций выпрямленного тока.
Емкостный фильтр
Проанализируем работу схемы однополупериодного выпрямления
при наличии емкостного фильтра, рис. 5.4. В открытом состоянии
диода
tttω≤ω≤ω
12
ωt1 ≤ ωt ≤ ωt2 (рис. 5.5) напряжение
приложено к нагрузке R
uU t=ω
, C. Емкостный элемент схемы в эти момен-
н
sin
m
ты времени заряжается, ток через диод равен сумме токов через резистивный и емкостной элементы.
Рис. 5.4
55
R
Рис. 5.5
В момент времени t2 ток через диод равен нулю, диод закрывается. Угол запирания диода равен:
=arctg( )
ре
(T+t
() sin
utU tω= ω. После закрытия диода, начиная от t2 до
Cm
), происходит разряд конденсатора С на резисторе Rн по экспо-
1
Cπ− ω ток через диод i(ωt2)=0, напряжение на конденсато-
n
22
arctg( )
tRCω= −ω =
2
ненциальному закону
t
−
t
2
−
RC
uU te
Cm
sin .
=ω
H
2
n
Кривая u
В момент t
(t) приведена на рис. 5.5.
c
входное напряжение становится равным напряжению
1
на емкостном элементе, диод открывается. Для определения момента
открытия диода t
запишем равенство:
1
−π+ω −
t
2
sin( ) sin( ) .
UtUte
ω= ω
mm
12
1
t
ω
2
RC
H
Величину емкости С практически выбирают так, чтобы при за-
данной нагрузке выполнялось соотношение
RCω= приведено
на рис. 5.6, кривая 1. Здесь кривая 2 соответствует решению для ωt
1
H
10
1
при двухполупериодном выпрямлении с емкостным фильтром. При
ωR
С > 10 (с погрешностью 5%) можно принять ωt2 = π/2, для расче-
н
пригодна приближенная формула:
та ωt
1
t
ω
ω
RC
1
H
56
−π+
1,5
sin( ) .
te
ω=
1
При этом следует принять значение ωt1> π/2
Рис. 5.6 Рис. 5.7
Зная ωt1 и ωt2, найдем постоянную составляющую напряжения
при нагрузке U
, как среднее значение за период Т, в угловом изме-
0
рении за 2π.
tt
ωπ+ω
21
1
UUtdtUtdt
=π ω ω+ ω
[sin() ()].
0
2
mC
tt
ωω
12
2
Схема двухполупериодного выпрямителя с емкостным фильтром
отличается от рис. 5.3, а тем, что параллельно сопротивлению нагрузки R
включается емкость С. Расчет токов и напряжений в на-
н
грузке при двухполупериодном выпрямлении с емкостным фильтром
производится аналогично. График напряжения в нагрузке показан на
рис. 5.7. Степень пульсаций напряжения или тока в нагрузке можно
оценить коэффициентом пульсации
UU
−
П
max min
=
U
0
K
.
Лабораторное задание
Схема измерений показана на рис. 5.8 и включает в себя: генератор сигналов ГС, диодный мост из диодов Д
сопротивление нагрузки R
= 10 Ом и Rи2 = 10 Ом, емкости С11 = 10 мкФ, С12 = 10 мкФ, ин-
R
и1
дуктивность L
= 10 мГн. Измерения проводятся мультиметром и ос-
8
= 1 кОм, измерительные сопротивления
20
, Д2, Д3, Д4, постоянное
1
циллографом.
57
А. Исследование однополупериодного выпрямителя
1. Собрать схему однополупериодного выпрямителя с сопротив-
лением нагрузки R
.
20
2. Для этого гнездо 2Г (рис. 5.8) соединить с гнездом 2Д, а гнездо
2Е соединить с гнездом 1Д. При этом диоды Д
ное сопротивление R
только диод Д
.
1
и Rи2 не работают, и выпрямление выполняет
и1
, Д3, Д4 и измеритель-
2
Рис.5.8
3. Подключить «общий» вывод осциллографа к гнезду 1Д, первый
вход – к гнезду 1Г, второй вход – к гнезду 2Д.
4. Установить на генераторе частоту синусоидального сигнала по
указанию преподавателя в диапазоне от 50 до 200 Гц, амплитуду 5 В.
5. Установить равное усиление в первом и втором канале осциллографа, подобрать длительность развертки так, чтобы на экране наблюдалось 2–3 периода входного сигнала. Зарисовать осциллограммы с соблюдением масштабов напряжения и времени.
Измерить мультиметром входное переменное напряжение U
входной переменный ток I
постоянный ток в нагрузке I
, постоянное напряжение на нагрузке U=,
~
. Измерение тока можно проводить либо
=
~
непосредственно мультиметром в разрыве ветви между клеммами 2Е
и 1Д, либо, измеряя вольтметром напряжения на измерительных сопротивлениях R
7. Подключить параллельно сопротивлению нагрузки емкость C
, Rи2. Записать результаты в протокол.
и1
11
Повторить измерения по п. 5 и 6.
8. Увеличить частоту сигнала генератора в 10 раз. Повторить из-
мерения по п. 5 и 6.
,
.
58
9. Увеличивая частоту сигнала, добиться примерного равенства
постоянного выпрямления напряжения и амплитуды гармонического
сигнала. Такой выпрямитель называют пиковым детектором. Записать частоту сигнала и повторить измерения по п. 5 и 6.
Б. Исследование двухполупериодного выпрямителя
10. В схеме рис. 5.8 отключить емкость С11, разомкнуть соединения клемм 2Е и 1Д. Соединить клеммы 1Д с 1И, 1Е с 2Е. В результа-
те сопротивление R
периодного выпрямителя с диодами Д
будет подключено к мостовой схеме двухполу-
20
, Д2, Д3, Д4.
1
11. Вывод «Общий» осциллографа подключить к клемме 2Е, вход
1 подключить к сопротивлению R
, вход 2 выключить. Установить
20
на генераторе частоту напряжения из п. 3.
12. Зарисовать осциллограмму напряжения на сопротивлении R
Измерить мультиметром входное переменное напряжение U
ной переменный ток I
стоянный ток в нагрузке I
постоянное напряжение на нагрузке U=, по-
~
. Измерение тока можно проводить либо
=
, вход-
~
20
непосредственно мультиметром в разрывах ветвей между клеммами
1И–1Д (для переменного тока), 1Е–2Е (для постоянного тока), либо,
измеряя вольтметром напряжения на измерительных сопротивлениях
, Rи2. Записать результаты в протокол.
R
и1
13. Подключить параллельно R
емкость C11. Повторить исследо-
20
вание по п. 12.
14. Подключить к индуктивности L
емкости С11 и С12 так, чтобы
8
образовался П-образный сглаживающий ФНЧ. Рассчитать частоту
среза ФНЧ по формуле f
нератора f > 1,5f
. Повторить исследования по п. 12.
c
= 1/π√LC. Установить частоту сигнала ге-
c
.
Домашнее расчетное задание
1. Построить графики напряжения по нагрузке для всех исследованных схем.
2. При входном напряжении из п. 3 лабораторного задания рассчитать для однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя величину углов ωt
на резистивной нагрузке R20 при шунтировании ее емкостью С11.
U
0
, ωt2 и постоянную составляющую напряжения
1
Сравнить результаты расчета с экспериментальными результатами.
3. Для исследования схем выпрямителей определить по экспери-
, U
ментальным данным U
max
, U0, I0/I, коэффициент пульсаций Кп и
min
сделать выводы о свойствах выпрямителей и сглаживающих цепей.
59
4. Используя частоту и напряжение сигнала из п. 14, рассчитать и
построить спектр напряжения на выходе диодного моста двухполупериодного выпрямителя. Рассчитать коэффициент передачи сглаживающего П-образного ФНЧ на постоянном напряжении и второй
гармонике сигнала.
5. Собрать схему однополупериодного и двухполупериодных выпрямителей в EWB с RC фильтрами.
Библиографический список
1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические
цепи: учеб. – М.: Гардарики, 2009.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]