Дослідження випрямлячів змінного струму

Теоретичні відомості.

Випрямлячем називають пристрій, який перетворює змінний струм у постійній.

В даній лабораторній роботі досліджуються однофазні випрямлячі, які живляться від однофазної мережі змінної напруги. Структурна схема перетворення електричної енергії з однофазним випрямлячем наведена на рис.1.

Рис.1.

Трансформатор змінює діюче значення напруги, яка поступає від мережі змінного струму, до величини, необхідної для забезпечення нормальної роботи споживача. Діодна схема перетворює синусоїдальну напругу в пульсуючу однополярну напругу (рис.2,3). Згладжуючий фільтр використовується для зменшення пульсацій випрямленої напруги.

Основними параметрами, що характеризують випрямлячі, є: середнє значення вихідної напруги і струму U_ср, I_ср; зовнішня характеристика - залежність напруги на виході від струму навантаження U_ср=f(I_ср); коефіцієнт пульсації - відношення амплітуди основної гармоніки випрямленої напруги (струму) до середнього значення випрямленої напруги (струму) . Розглянемо співвідношення між струмами та напругами у схемах випрямлячів, які досліджуються в даній лабораторній роботі.

Для спрощення виводів співвідношень вважаємо діоди i трансформатор ідеальними, тобто нехтуємо спадами напруг на діодах у прямому напрямку та обмотках трансформаторів.

Схема однопiвперiодного випрямляча наведена на рис.2а.

а) б)

Рис.2.

Це найпростішій випрямляч. Струм через діод Д проходить лише в додатній пiвперiод (рис.2,б). У другий пiвперiод, колі потенціал анода стає від'ємнім, струм в колі навантаження дорівнює нулеві.

При однопiвперiодному випрямленні струм i напруга на навантаженні півперіоду змінюються за гармонічним законом, а другу половину періоду дорівнюють нулеві. Відповідно частота пульсації випрямленої напруги дорівнює частоті мережі - 50 Гц.

Середнє значення випрямленої напруги дорівнює:.

Середнє значення випрямленої напруги U_ср однопiвперiодної схеми у  разів менше від максимального значення напруги на навантаженні U_m. Аналогічний вираз одержується і для середнього значення струму. У від'ємний пiвперiод до діода прикладається напруга , тобто в однопiвперiоднiй схемі випрямлення зворотна напруга на діоді U_зв в  разів більша за середнє значення напруги на навантаженні U_ср.

Зв'язок між діючим значенням напруги на вторинній обмотці трансформатора U₂ і середнім значенням випрямленої напруги визначається формулою: .

Діюче значення струму при однопівперіодному випрямлені . Зв'язок між діючим I і середнім значенням I_ср має вигляд .

Якщо скористатися розкладом несинусоїдальної випрямленої напруги у ряді Фур'є, коефіцієнт пульсації для однопiвперiодного випрямлення по основній гармоніці дорівнює .

При двопiвперiодному випрямленні струм через навантаження проходить протягом двох пiвперiодiв. На рис.3 подані схеми двопiвперiодного випрямлення: з нульовим відводом і мостова.

а) б)

в) г)

Рис.3.

Частота пульсації випрямленої напруги у два рази більша за частоту мережі. Принцип дії схем зрозумілий з рис.3,в,г, а основні співвідношення наведені у табл.1.

Табл.1

Схема випрямляча	Основні параметри					Пульсації випрямленої напруги по основній гармоніці
Однопівперіодна (рис.2)	2.22	1.57	3.14	1	3.14	1	1.57
Двопівперіодна (рис.3а)	1.11	0.785	3.14	0.5	1.57	2	0.667
Мостова (рис.3б)	1.11	1.11	1.57	0.5	1.57	2	0.667

З метою зменшення пульсацій напруги на навантаженні паралельно до нього під'єднують конденсатор великої ємності (рис. 4а).

U

U₂

i_д

рис.4.

Підключення ємності на виході випрямляча суттєво впливає на характер процесів у ньому. У такій схемі струм через діод проходить не протягом всього додатного пiвперiоду, а окремими короткочасними імпульсами, коли напруга U₂ на вторинній обмотці трансформатора більша за напругу на конденсаторі. Струм через навантаження проходить протягом всього періоду. Такий режим називається роботою з відсічкою струму.

Половина проміжку часу проходження струму через діод (у кутовому вимірюванні) називається кутом відсічки . Величина кута відсічки є функцією параметрів схеми. При умові, що CR_н>>T, можна вирахувати середнє значення випрямленої напруги: . Експериментально кут відсічки знаходять з осцилограми струму через діод з співвідношення (див.рис.4б): , звідки .

Завдання до роботи.

1. Скласти схему однопiвперiодного випрямлення з активним опором у навантаженні.

2. Зарисувати з екрана осцилографа криві напруг на вторинній обмотці трансформатора, на діоді та навантаженні та струму через діод.

3. Експериментально визначити коефіцієнт пульсації, максимальну зворотну напругу на діоді, співвідношення між постійною напругою на виході випрямляча та вхідною напругою.

4. Пiд'єднати паралельно до опору навантаження конденсатор С. Повторити пункти 2,3.

5. Пiд'єднати паралельно до опору навантаження два паралельно з’єднані конденсатори С. Повторити пункти 2,3.

6. Скласти одну із схем двопiвперiодного випростувача i повторити завдання пунктів 2,3,4.