Електроніка,ч1

критичного, називається струмом утримання Iут. Як тільки Iпр стане менше Iут, тиристор закривається.

Слід зазначити, що після включення тиристора об'ємні заряди в області переходу П2 будуть компенсовані основним струмом, якщо він більший струму Iут, і тоді струм управління Iу не потрібен. Тому, для зниження втрат у тиристорі він управляється короткими імпульсами Iу.

При зворотному включенні тиристора (анод негативний по відношенню до катода) закриті два переходи П1 і П3, і тиристор струму не проводить. Щоб уникнути пробою необхідно, щоб зворотна напруга була Uзв.max.

Основні параметри, використовувані при виборі тиристорів: гранично допустимий анодний струм у відкритому стані тиристора Iпр.max, гранично допустима зворотна напруга Uзв.max, гранично допустима пряма напруга в закритому стані тиристора Uпр.max, струм втримання Iут.

Малопотужні тиристори застосовують в релейних схемах і малопотужних комутуючих пристроях. Потужні тиристори використовують у керованих випрямлячах, інверторах і різних перетворювачах.

Попереднє завдання до досліду:

Вивчити будову та принцип роботи випрямляючого діода, стабілітрона, тиристора. Дати обгрунтовану відповідь на питання відповідного варіанту у письмовому вигляді.

11

Порядок виконання роботи

1. Зібрати лабораторний стенд за схемою, зображеною на рис.5. Встановити регулятор потенціометра R2 в крайнє ліве положення, перемикачем П2.1 підключити випрямляючий діод.

2. Підключити ланку до напруги за допомогою шнура живлення стенду і, регулюючи напругу потенціометром R2, зняти ВАХ діода в прямому напрямку Iпр(Uпр). Результати вимірювань записати в табл.2.

Таблиця 2

Iпр, мА

Uпр, В

3. Перевірити експериментально відповідь на питання попереднього завдання (варіант 2).

12

4. Встановити потенціометр R2 у вихідне положення (п.1), потім підключити стабілітрон і зняти зворотню гілку ВАХ стабілітрона IЗВ(UЗВ). Вимірювання записати в табл.3.

Таблиця 3

IЗВ, мА

UЗВ, В

5.Перевірити експериментально відповідь на питання попереднього завдання (варіант 4).

6.Зняти характеристику включення тиристора Uвкл(Iу). Для цього перемикачем підключити тиристор, регулятори R1, R2 встановити в крайні ліві положення. Регулюючи анодну напруга від 0 до 12В ступенями через 2 В і повільно збільшуючи струм управління Iу до моменту включення тиристора, зафіксувати і записати в табл.4 значення струму управління. Побудувати характеристику включення Uвкл(Iу).

Таблиця 4

7.Зняти характеристику прямої передачі струму тиристора Iпр(Iу): потенціометром R1 встановити струм Iу=0,а потенціометром R2 - напруга Uпр=8В, потім збільшувати струм управління до моменту включення тиристора, записати значення Iу, Iпр. Збільшуючи далі Iу до 10 мА, переконатися в незмінності анодного струму. Побудувати графік Iпр(Iу).

8.Зняти вольтамперну характеристику тиристора Iпр(Uпр), встановивши струм управління, при якому відкривається тиристор (див. п.6). Результати вимірювань представити у табл. 2. Побудувати графік ВАХ.

9.Перевірити експериментально відповіді на питання попереднього завдання (варіанти 1,3,5 ... 8).

13

Зміст звіту:

Мета роботи; відповідь на питання попереднього завдання; схема досліджень (рис.5); таблиці вимірювань; ВАХ випрямляючого діода, стабілітрона і тиристора; характеристики включення Uвкл(Iу) і прямої передачі Iпр(Iу) тиристора; порівняння прямих падінь напруг на діоді, стабілітроні і тиристорі; висновки про можливе практичне використання випрямляючих діодів, стабілітронів і тиристорів.

Контрольні запитання

1.Що являє собою власна і домішкова електропровідності?

2.Що таке n-p-перехід і як пояснити його вентильні властивості?

3.Чим обумовлена контактна різниця потенціалів n-p-переходу?

4.Охарактеризуйте стан n-p-переходу при прямому і зворотньму включенні?

5.Поясніть графіки ВАХ діода і стабілітрона. Як впливає температура на

ВАХ?

6.Які основні параметри діода, стабілітрона?

7.Поясніть будову та принцип роботи тиристора, вид його ВАХ?

8.Як впливає струм управління на роботу тиристора?

9.Що таке динистор, тринистор, одноопераційний та двоопераціоний (замикається) тиристори?

10.Які основні параметри та характеристики тиристора?

11.Наведіть приклади використання діодів, cтабілітронов, тиристорів.

Лабораторна робота № 3 ДОСЛІДЖЕННЯ ОДНОФАЗНИХ ВИПРЯМЛЯЧІВ

З ФІЛЬТРАМИ

Мета роботи: вивчення пристрою, принципу дії і режимів роботи однофазних випрямлячів і згладжуючих фільтрів.

14

Теоретичні відомості

Випрямлячем називають пристрій, призначений для перетворення електричної енергії джерела змінного струму в електричну енергію, споживану приймачем постійного струму. Таке перетворення необхідно в тому випадку, коли первинним джерелом електроенергії є однофазна (трифазна) мережа або автономний генератор змінного струму, а споживач електроенергії працює на постійному струмі.

Для споживачів постійного струму потужністю до декількох сотень ват використовують однофазні випрямлячі, що підключаються до однофазної мережі змінного струму. Однофазні випрямлячі, як правило, входять до складу джерел вторинного електроживлення (ДВЕ) радіо- і телевізійних, вимірювальних, обчислювальних електронних пристроїв, застосовують для живлення електродвигунів постійного струму, зарядки акумуляторних батарей та ін.

Для споживачів постійного струму потужністю більше 1 кВт використовують трифазні випрямлячі, що підключаються до промислової трифазної мережі.

Структурна схема традиційного однофазного джерела живлення постійного струму представлена на рис.1.

Рис.1

Основним і обов'язковим елементом схеми є випрямляч (В) на напівпровідникових вентилях. Принцип дії будь-якого випрямляча заснований на односторонній провідності вентилів, що перетворюють змінний струм в пульсуючий струм постійного напрямку. Для зменшення пульсацій випрямленої напруги після випрямляча може бути включений згладжуючий фільтр (Ф), а при необхідності сталості величини напруги Uн на навантаженні - стабілізатор напруги

15

(Ст). Випрямляч підключається до мережі живлення змінного струму через трансформатор (Т) у разі, якщо потрібне перетворення рівня напруги мережі живлення Uс до необхідного рівня напруги навантаження Uн, а також для електричного розділення ланок.

Основними недоліками випрямлячів з трансформаторним входом є великі габарити, маса трансформатора і згладжувального фільтра. У малогабаритних ДВЕ електронної апаратури застосовують схеми з безтрансформаторним входом, робота яких заснована на багаторазовому перетворенні електричної енергії. В таких схемах випрямляч підключений безпосередньо до мережі живлення, а узгодження рівнів напруг мережі та навантаження забезпечується трансформатором на підвищеній проміжній частоті змінного струму, що дозволяє значно зменшити габарити, масу трансформатора і фільтра.

трансформатора нехтуємо опором розсіяння і активним опором обмоток. Однофазний однопівперіодний випрямляч містить один вентиль VD,

включений в ланку вторинної обмотки трансформатора Т послідовно з навантаженням Rн (рис.2, а). Часові діаграми напруг і струмів, що пояснюють роботу випрямляча на активне навантаження без фільтра, представлені на рис.2, б. У перший півперіод напруги вторинної обмотки трансформатора u2=U2m sin(ωt) ,

16

коли воно позитивне, діод VD відкритий, тому що на його аноді діє позитивний потенціал. На цьому інтервалі часу (0 - T/2) через навантаження буде протікати струм, який є для діода прямим струмом. При цьому uв=0, uн=u2=U2m sin(ωt) . На другому півперіоді напруга u2 стає негативною, і діод закривається під дією негативного потенціалу на аноді діода. На цьому інтервалі часу ((T/2 - T) iн=0, uн=0, напруга на вентилі uв=u2=U2m sin(ωt) буде зворотною напругою діода.

У результаті такої роботи вентиля струм через навантаження буде протікати протягом тільки одного півперіоду змінної напруги u2 і викликати на навантаженні періодичну несинусоїдальну напругу uн, середнє значення якої може бути визначене:

Середній струм через вентиль Iпр дорівнює середньому струму навантаження

Iпр=Iн.

Максимальна напруга на закритому вентилі

Uвmax U2m 2U2 π Uн 3,14Uн.

Діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора

SТ (S1 S2 ) / 2 S2 U2 I2 2,22Uн 1,57Iн 3,5Pн.

Недоліками однонапівперіодного випрямляча є великий рівень пульсацій випрямленої напруги, вимушене намагнічування осердя трансформатора за рахунок постійної складової струму вторинної обмотки, погане використання трансформатора (SТ=3,5Pн), низькі коефіцієнти використання вентилів

(KI=Iв.max/Iн= , KU=Uвmax/Uн= ).

Однонапівперіодні випрямлячі застосовуються для живлення малопотужних підсилювачів, електронно-променевих трубок та у високовольтних установках для випробування ізоляції.

17

Однофазний двохпівперіодний мостовий випрямляч складається з чотирьох вентилів, включених по мостовій схемі (рис.3, а). До однієї діагоналі моста подано змінну напругу u2=U2m sin(ωt) , до іншої - підключено навантаження Rн. Часові діаграми напруг і струмів представлені на рис.3, б. У перший півперіод напруги u2, коли потенціал на аноді VD1 позитивний, діоди VD1 і VD3 відкриті, і струм навантаження протікає через VD1, Rн і VD3. У цьому інтервалі часу uн=u2, діоди VD2 і VD4 закриті і перебувають під зворотною напругою.

Оскільки пари діодів проводять струм навантаження по черзі по півперіода, то прямий струм вентилів буде рівним

Iпр=0,5Iн.

Максимальна напруга на закритих вентилях Uвmax U2m 1,57Uн. Розрахункова потужність трансформатора SТ S1 S2 U2 I2 1,23Pн. Двохпівперіодний випрямляч у порівнянні з однопівперіодним має такі

переваги: випрямлені струм і напруга вдвічі більші, значно менший рівень пульсацій uн, вентилі вибираються по половині струму навантаження, добре

18

використовується трансформатор і відсутнє вимушене підмагнічування його осердя. Мостова схема має переважне застосування у випрямлячах невеликої та середньої потужності.

Для оцінки пульсацій випрямленої напруги користуються поняттям коефіцієнта пульсацій q, що рівний відношенню амплітуди першої гармоніки випрямленої напруги до середнього значення: q U1Гm Uн.ср .

Для зменшення пульсацій випрямленої напруги застосовують згладжуючі фільтри. Основними елементами пасивних фільтрів є реактивні елементи:

конденсатори та дроселі. На базі транзисторів і операційних підсилювачів

виконуються складніші активні фільтри. Ефективність фільтра характеризується коефіцієнтом згладжування, рівним відношенню коефіцієнтів пульсацій до і після установки фільтра

навантаженні і хороше згладжування при малих вихідних токах. Із збільшенням струму навантаження при зменшенні Rн зменшується постійна розряду конденсатора і зростає коефіцієнт пульсацій на навантаженні. Ємнісний фільтр доцільно використовувати при високоомному навантаженні з малим значенням випрямленого струму.

19

Індуктивний фільтр складається з індуктивної котушки (дроселя), що підключається послідовно з навантаженням. Дросель з індуктивністю Lф не чинить опору постійної складової струму навантаження, але пригнічує змінні складові струму, для яких реактивний опір котушки зростає із збільшенням частоти вищих гармонік.

Недоліками індуктивних фільтрів є великі габарити і маса дроселя, тому застосовуються такі фільтри переважно в трифазних випрямлячах великої і середньої потужності при низькоомному навантаженні з великими значеннями струмів.

Для більш ефективного згладжування застосовують складні або багатоланкові фільтри, коефіцієнт згладжування яких дорівнює добутку коефіцієнтів згладжування окремих ланокSф S1 S2 ... Sn . До складних фільтрів можна віднести Г-і П-подібні LC-фільтри (табл.1).

Розрахунок випрямляча зводиться до вибору вентилів, визначення типу і параметрів фільтру та трансформатора. Вихідними даними до розрахунку є напруга U1=Uс і частота f1 мережі живлення, напруга Uн і потужність Pн навантаження.

Для надійної роботи вентилів їх вибирають з умови, щоб середнє значення струму через відкритий вентиль Iпр та максимальна зворотня напруга на закритому вентилі Uвmax не перевищували допустимий прямий струм вентиля Iпр.max і зворотну максимальну напругу Uобр.max

Iпр < Iпр.max и Uвmax < Uзв.max .

Iпр та Uвmax розраховуються із співвідношень, наведених у табл. 2 для відповідної випрямної схеми, а Iпр.max і Uзв.max визначаються з довідника для обраних вентилів.

Вибір трансформатора проводиться за розрахунковою потужністю Sт і коефіцієнтом трансформації kТ U1 U2 (див. табл.2).

20