Домашнее задание

Варианты индивидуальных заданий. N – номер группы. n – номер по журналу у старосты на первую неделю занятий.

На вход схемы подоется напряжение следующего вида. e(t) = E₌ + E_ sin(t). Для определения постоянной составляющей входного напряжения к значению из таблицы прибавить N0,12, т.е., E₌ = E₌₀ – N0,1, а для температуры –  = ₀ + N0,25. Найти амплитуду пременной и постоянной составляющей.

Таблица

№	E=0, В	E, В	R1, Ом	0, С	№	E=0, В	E, В	R1, Ом	0, С	№	E=0, В	E, В	R1, Ом	0, С
	10	1,5	2200	40		20	3	9100	65		11	0,55	2400	90
	9	0,85	1800	30		4	0,15	510	75		12	0,75	2700	100
	8	0,55	1500	50		17	1,5	5100	85		13	0,95	2000	35
	7	0,35	1100	60		25	3,5	4700	95		14	1,1	4300	45
	6	0,25	910	70		10,5	1,15	1300	40		15	2,2	3900	55
	11	0,65	2200	80		11	1,5	2200	40		18	3	9100	65
	12	0,55	2400	90		8	0,85	1800	30		4	0,15	510	75
	13	0,75	2700	100		7	0,55	1500	50		17	1,5	5100	85
	14	0,95	2000	35		6	0,35	1100	60		20	3,5	4700	95
	15	1,1	4300	45		5	0,25	910	70		9	1,15	1300	40
	18	2,2	3900	55		10	0,65	2200	80

Изучить материалы лекции, соответствующих параграфы литературы и работу схемы. Повторить отличие мгновенного, амплитудного и действующего значения напряжения.

Рис. Схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы

1. Для трех типов диодов произвести измерения падения напряжения на резисторе, диоде и источнике постоянной и переменной составляющих и значение постоянной составляющей тока. Отключить нагрузку и провести измерение параметров источника сигнала. Значения записать в таблицу, где U_in,=, U_in, – амплитуда постоянной и переменной составляющей навходного напряжения под нагрузкой; U_VD,=,U_VD, – постоянная и переменная составляющие падения напряжения на диоде; U_R1,=,U_R1, – постоянная и переменная составляющие падения напряжения на резисторе R1; I – ток в цепи; E – ЭДС источника r rd EVD R1

2. По полученным значениям произвети расчет параметров схемы замещения диода и источника сигнала.

Таблица

Тип диода

Измерено

Вычисленно

Uin,, В

Uin,=, В

UVD,=, В

UVD,, В

UR1,=, В

UR1,, В

I, мА

E=, В

E, В

r, Ом

rd, Ом

EVD, В

R1, Ом

Содержание отчета

Схема лабораторнай установки. Домашнее задание. Порядок расчета параметров схемы замещения диодов и источника синала. Параметры схемы замещения диодов.

Лабораторная работа №3

Исследование работы схем выпрямителей

Цель работы: познакомится с работай основных схем выпрямителей; исследовать влияние на работу выпрямителей индуктивной и емкостной нагрузки

Общие сведения

Выпрямители в большинстве случаев содержат трансформатор, диоды и сглаживающий фильтр. Они характеризуются следующими параметрами: значением входного напряжения, частотой входного тока и их отклонениями; полной мощностью, потребляемой от входной сети; значением выходного напряжения; коэффициентом пульсаций выходного напряжения; значением выходного тока и его отклонением от номинального; коэффициентом полезного действия.

Коэффициент пульсаций выпрямителя принято определять как отношение двойной амплитуды переменной составляющей к постоянной составляющей выходного напряжения. Двойная амплитуда измеряется как сумма положительной и отрицательной полуволн переменной составляющей выпрямленного напряжения.

Из большого количества схемных решений выпрямителей рассмотрим лишь наиболее часто применяемые в источниках электропитания (рис. 2).

Однополупериодная схема выпрямителя (рис. 2, а) используется обычно при выходной мощности до 10 Вт и в тех случаях, когда допускается сравнительно высокий коэффициент пульсаций. Достоинством схемы является минимальное число диодов, недостатком — низкая частота пульсаций, равная частоте входного тока. При наличии трансформатора имеет место недостаточное его использование и подмагничивание магнитопровода постоянным током.

Двухполупериодная (двухфазная) схема с выводом средней точки (рис. 2, б) используется обычно при выходной мощности до 500 Вт. Достоинством схемы является возможность применения диодов с электрически соединенными катодами в виде диодных сборок, а также возможность установки диодов на общий радиатор. К недостаткам следует отнести усложнение конструкции трансформатора из-за вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора и повышенное обратное напряжение на диодах.

Рис. 2. Схемы выпрямителей. а – однополупериодная; б – двухполупериодная (двухфазная) с общей точкой на трансформаторе; в – мостовая однофазная; г – мостовая трехфазная схема; д – полумостовая трехфазная; е – шестифазная однотактная

Мостовая однофазная схема (рис. 2, в) используется в широком Диапазоне выходных мощностей (обычно более 300 Вт). Достоинством схемы является повышенная частота пульсаций, низкое обратное напряжение на диодах, возможность работы без трансформатора. Недостатком схемы является повышенное падение напряжения на диодах (всегда открыто два диода) и необходимость применения изолирующих прокладок при установке диодов на один радиатор. Путем вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора данной схемы (рис. 2, в показано штрих пунктиром) можно получить кроме выпрямленного напряжения U₀ дополнительно половинное напряжение (U₀/2). Эту схему можно рассматривать как два двухфазных выпрямителя, использующих одну и ту же обмотку трансформатора, причем выходные напряжения этих выпрямителей включены последовательно. Подобным образом схему используют для получения двухполярных источников, противоположные полюсы которых соединены в одну точку.

Мостовая трехфазная схема (рис. 2.1,г) обладает высоким коэффициентом использования мощности трансформатора, малым значением обратного напряжения на диоде, повышенной частотой пульсаций выпрямленного напряжения. Схема используется в широком диапазоне выходных мощностей и выпрямленных напряжений (средней и большой мощности). Соединение вторичной обмотки трансформатора звездой позволяет избежать появления уравнительных токов при асимметрии фазных напряжений. Да базе этой схемы также можно построить двухполярный источник питания (рис. 2, г показано штрих пунктиром). Схема может применяться без трансформатора. К недостаткам можно отнести невозможность заземлить вторичную обмотку трансформатора, если заземлен один из полюсов нагрузки, а также протекание тока нагрузки через два диода, что снижает КПД схемы вследствие неидеальности диодов.

При больших мощностях и незначительных выходных напряжениях вследствие падения напряжения на диодах в трехфазной мостовой более актуальной трехфазная полумостовая схема (рис. 2,1,е). Основным недостатком данной схемы является вынужденное подмагничивание магнитопровода, однако этот недостаток устраняется применением схемы «треугольник». Так же в сравнении с мостовой трехфазной – коэффициент пульсаций и большие обратные напряжения на диодах.

Рис. 3. Схемы умножителей. а – двойное увеличение напряжения; б – увеличение напряжения в 4 раза

Шестифазная однотактная схема (рис. 2,1,е) применяется для получения низких напряжений (менее 10 В) при токах нагрузки до сотен ампер. Первичная обмотка трансформатора должна быть соединена в треугольник для исключения вынужденного намагничивания магнитопровода. Пульсации выходного напряжения в этой схеме такие же, как в трехфазной мостовой, но трансформатор должен быть рассчитан на более высокую габаритную мощность. Целесообразность применения схемы для низких напряжений объясняется тем, что падение напряжения на диодах в каждом такте работы в 2 раза меньше по сравнению с трехфазной мостовой схемой.

В устройствах высокого напряжения применяются схемы выпрямителей с диодно-конденсаторными умножителями напряжения (рис. 3). Принцип работы схемы рис. 3,a основан на потактном заряде емкостей. Емкости заряжаются быстро поотдельности, а разряжаются на нагрузку медленно, но одновременно. Поэтому напряжение на нагрузке будет практически в два раза больше амплитудного значения вторичной обмотки трансформатора.

В некоторых случаях схему рис. 3,a используют для получения двухполярного источника при малых можностях.

Рис. Схема диаграмма мостового выпрямителя и его работа на емкостную нагрузку

Работа выпрямителя в существенной мере определяется характером его нагрузки. При этом имеют место различные формы тока в зависимости от характера нагрузки. Активная нагрузка источника электропитания встречается редко и обычно реализуется при отсутствии фильтра. Примером может служить нагреватель электровакуумного прибора. Чаще нагрузка является активно-емкостной или активно-индуктивной. К активно-емкостной нагрузке можно отнести электронно-лучевые трубки, электровакуумные приборы, вычислительные устройства и др. Активно-индуктивная нагрузка создается фильтром, начинающимся с дросселя, а при отсутствии фильтра такой нагрузкой являются технологические установки электронной техники, электромагнитные механизмы, электродвигатели системы охлаждения и др.

Выходное напряжение будет представлять собой пилообразное напряжение с определенной постоянной составляющей. В схеме наблюдаются два периода. В первом периоде происходит быстрый заряд конденсатора с постоянной времени _ch = r₀C, где r₀ = r_T + 2r_VD – r_T – сопротивление обмоток трансформатора, которое приведено к фазе вторичной отмотки трансформатора, r_VD – дифференциальное (динамическое) сопротивление диодов (коэффициент 2 отражает особенность работы мостовой схемы выпрямителя). Разряд емкости происходит с постоянной времени _dis = R_LC. Заряд и разряд емкости происходит по экспоненциальной зависимости. Конденсатор стремится зарядиться до амплитудного значения U_2p, поэтому при малых нагрузках (u_0) и на холостом ходу выполняется следующие соотношение U₂  U_2p U_out. Большая разность между временем заряда и разряда приводит к тому, что выходное значение тока на нагрузке max(i₂)>> i_out в разы отличается от тока через обмотки трансформатора и диоды. Это обстоятельство требует учитывать при выборе диодов для схем с емкостным характером нагрузки и при попытках уменьшить пульсации на нагрузке путем увеличения емкости конденсатора.

Рис. Диаграмма работы мостового выпрямителя при разных конденсаторах

К недостаткам выпрямителей, работающих на нагрузку с емкостной реакцией, относятся:

1) большая амплитуда тока диода;

2) увеличение габаритной мощности трансформатора;

3) значительное обратное напряжение на диоде

4) резко выраженная зависимость значения выпрямленного напряжения от тока нагрузки (это зависимость может быть ослаблена при увеличении емкости конденсатора)

Рис. Схема диаграмма мостового выпрямителя и его работа на индуктивную нагрузку

5) увеличение нагрузки вызывает увеличение пульсаций выходного напряжения.

Однофазная схема выпрямления. В схеме на рис. 6, последовательно с нагрузкой включено индуктивное сопротивление. Наличие индуктивных элементов в цепи с изменяющимся током приводит к отставанию изменения тока от изменения напряжения, и это обстоятельство существенно изменяет режим работы выпрямительной схемы.

Во время первого полупериода напряжения и₂ анод диода VD1 имеет положительный потенциал, диод открывается и по цепи, состоящей из диода, дросселя L, сопротивления нагрузки R_L и вторичной обмотки трансформатора, протекает ток i_out. По мере увеличения и₂ возрастает и ток i_out однако при этом на индуктивности L возрастает и противо-ЭДС e_L, направленная встречно напряжению и₂ и препятствующая нарастанию i₀.

В промежутке времени t₀ – t₁, пока ток i_out возрастает, e_L имеет отрицательный знак; когда же с момента t₁ ток i_out начинает уменьшаться, противо-ЭДС приобретает положительную полярность.

В интервале времени t₂ – t₃ энергия, запасенная в маг-нитопроводе дросселя, поддерживает ток i_out протекающий по цепи и в отрицательной части периода напряжения u₂. В момент времени i₃, когда ток i_out уменьшается до нуля, e_L также становится равной нулю. Длительность работы диода будет больше полупериода напряжения и₂.

График выпрямленного напряжения u_out повторяет график тока i_out. Форма обратного напряжения i_rev на диоде VD1 существенно отличается от формы обратного напряжения при работе выпрямителя на активную нагрузку. В данном случае обратное напряжение в момент запирания диода t₃ изменяется скачком, достигая значения, равного амплитуде напряжения вторичной обмотки U_2p.

Сравнивая данную схему со схемой, работающей на активную нагрузку, можно сделать следующие выводы:

1. Длительность работы диода в данной схеме увеличивается, причем она зависит от отношения L/R.

2. Значения токов (амплитудное и действующее) меньше, чем при работе на активную нагрузку;

3. Среднее значение выпрямленного напряжения U₀ уменьшается, и, чтобы компенсировать уменьшение U₀, нужно увеличить напряжение вторичной обмотки трансформатора U₂.

4. Пульсации выпрямленного напряжения тока будут меньше, чем при активной нагрузке;

5. Сглаживающее действие индуктивности проявляется эффективнее при низкоомной нагрузке и при большом числе фаз вторичной обмотки (в многофазных выпрямителях);

6. амплитуда тока диода близка к среднему значению тока в нагрузке.

7. при работе из-за противоЭДС индуктивности предусматривать запас по напряжению при выборе диодов.

Рис. 2.4. Идеализированные характеристики передачи диода (а) и формирование искажения типа «ступенька» в выпрямителе (б). 1 – ВАХ диода для больших напряжений; 2 – для средних напряжений; 3 – для малых напряжений; U_out,M1 – напряжение при модельной ВАХ (1); U_out,M3 напряжение при модельной ВАХ (3); U_out напряжение без использования модельных ВАХ

При анализе выпрямителей использовании различных моделей диодов. При больших напряжениях (до 50В) это просто ключ. При средних (1050В) – учитывают падение напряжения U_F0 при открытии диода. Малые токи нагрузки, сравнимы с обратного током диода I_rev0, требуют его учета. Прямая ветвь ВАХ диодов заметно зависит от температуры и при ее уменьшении сдвигается вправо, увеличивая значение напряжения U_F0, что вследствие формирования нелинейных искажений типа «ступенька» (рис. 2.4) снижает качество выпрямления, особенно заметное при обработке электрических сигналов малой амплитуды. При средних значениях U_F0 равных 150 мВ для германиевых диодов и 600 мВ для кремниевых это напряжение сдвигается вправо примерно на 25 мВ на каждые минус 10 °С. Для схем с малым напряжением предпочтительно использование диодов Шотки.

Диоды Шоттки представляют собой весьма перспективный класс полупроводниковых выпрямительных диодов, построенных на основе структуры металл-полупроводник (кремний или арсенид галлия, реже – германий). Эти диоды характеризуются малым прямым падением напряжения (всего 0,2 В), большой максимально допустимой плотностью тока, способностью выдерживать значительные перегрузки по току (существенно превосходящие перегрузки по току аналогичных выпрямительных диодов с p-n-переходами), малыми значениями емкости и большой предельной частотой. Пробивное напряжение диодов Шоттки пока невелико (20...70 В), однако этот недостаток постепенно устраняется переходом к более совершенным технологиям их изготовления. Диоды Шоттки используются для выпрямления малых напряжений высокой частоты. Кроме того, они находят широкое применение в полупроводниковой схемотехнике самого различного назначения. Их прямая ветвь ВАХ в широком диапазоне токов подчиняется экспоненциальному закону, что определило возможность построения на их основе прецизионных логарифмирующих элементов. Известны схемы их сопряжения с транзисторными ключами, позволяющие повысить скорость работы ключей и т.п.