Лабораторная работа № 3 Исследование неуправляемых выпрямительных устройств

Измерение на нагрузке

Измерение на диоде

Схемы выпрямления с ёмкостью

Схема Греца

Схема Греца с ёмкостью

Electronics Workbench

Схемы выпрямления переменного тока.

Однофазная однополупериодная схема выпрямления.

Схема выпрямления с ёмкостью.

Схема Греца

Схема Греца с ёмкостью

Контрольные вопросы:

1. Какие преимущества у мостовой схемы выпрямителя по сравнению с однотактной схемой выпрямления.

2. Какие преимущества у мостовой схемы выпрямителя по сравнению с выпрямителем, собранным по двухполупериодной схеме со средней точкой.

3. Начертите мостовую схему полупроводникового выпрямителя и поясните назначение её элементов?

4. Как подбирают тип полупроводниковых вентилей для работы в остовой схеме выпрямителя?

5. Расскажите о назначении силового трансформатора в схеме выпрямителя.

Указания к отчету

1. Точное наименование и цель работы.

2. Схема исследования выпрямителя с краткой характеристикой его элементов.

3. Необходимые расчеты, подтверждающие правильность выбора элементов схемы.

4. Таблица наблюдений.

5. Нагрузочная характеристика.

6. Осциллограммы, поясняющие работу выпрямителя.

7. Краткие выводы о работе.

Нагрузочная характеристика

Для активной нагрузки		Для активно-емкостной нагрузки
I0,mА	U0, В	I0,mА	U0, В
0	0	0	0
7	1	5	1
13	2	13	2
20	3	22	3
28	4	30	4
36	5	36	5
44	6	44	6
57	8	60	8

Определение коэффициента пульсации выпрямленного напряжения

U0, В	U~, В	Uт~= Uп*	Кп	I0,mА	I~, mА	Im~, mА	Кп
1	0,18	0,25	25	5	32	46	10
2	0,32	0,46	23	13	38	57,6	22
3	0,52	0,75	25	22	40	58	37
4	0,66	0,95	23	30	48	69	43
5	0,82	1,18	23	36	50	72	50
6	1,04	1.49	24,8	44	68	97	45
8	1,32	1,9	23,7	60	76	109	55
10	1,64	2,36	23,6	76	84	120	63

Определение КПД выпрямителя

I0,mА	U0, В	P0, Вт	I~ , mA	U~, В	P~, Вт	КПД
4	1	0,004	5	0,3	0,0015	37,5
9	2	0,018	12	0,7	0,0084	46,6
16	3	0,048	19	1	0,019	39,5
20	4	0,08	20,5	1,4	0,037	46,2
34	6	0,204	48	2,2	0,105	51,4
42	7	0,294	56	2,25	0,126	42
72	8	0,57	96	2,8	0,268	47

ПОЯСНЕНИЕ К РАБОТЕ

ОДНОТАКТНЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Выпрямление переменного тока является одним из основных процессов в электронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потребителем энергии переменного тока и , генератором постоянного тока.

Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо проводят в обратном, то основным назначением диодов является выпрямление переменного тока.

Однофазная однотактная схема выпрямления с активной нагрузкой. Действие схемы сводится к тому, что в те моменты времени, когда на аноде вентиля имеется положительный потенциал, ток протекает через вентиль, активное сопротивление нагрузки rh замыкается через вторичную обмотку трансформатора. Имея в виду включение силового трансформатора в сеть переменного тока с напряжением U2=UmSin ωt, ток в нагрузке будет иметь форму импульсов в виде полу синусоиды. Точно так же будет меняться и напряжение на нагрузке.

Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 1, а. В ней последовательно соединены генератор переменной э. д. с. е, диод Д и нагрузочный резистор R_H, который можно включать также и в другой провод, как показано штрихом. Эта схема называется однополупериодной. Правильнее следовало бы называть ее однофазной однотактной, так как генератор переменной э. д. с. является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период). Другие более сложные схемы для выпрямления (двухфазные, трехфазные, двухтактные и т. д.), как правило, представляют собой комбинацию нескольких однофазных однотактных схем.

На схематическом изображении полупроводникового диода треугольник является анодом, черточка — катодом. Прямой ток проходит тогда, когда анод имеет положительный потенциал относительно катода. Следовательно, треугольник нужно рассматривать как острие стрелки, показывающей условное направление прямого тока. Именно в этом направлении движутся дырки при прямом токе, а электроны этого тока движутся в противоположном направлении.

а) б)

Рис. 1. Простейшая схема выпрямителя с диодом (а) и схема выпрямителя с трансформатором (б)

В выпрямителях для питания электронной аппаратуры генератором переменной э. д. с. обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис. 1, б). Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети без трансформатора. Роль нагрузочного резистора R_н, т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые выпрямителем. При выпрямлении токов высокой частоты, например в детекторных каскадах радиоприемников, генератором переменной э. д. с. служит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а специально включенный нагрузочный резистор имеет большое сопротивление.

Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Для упрощения будем считать, что генератор дает синусоидальную э. д. с. е = Е_т sin ωt и его внутренним сопротивлением можно пренебречь (если это сопротивление заметной величины, то его учитывают обычным путем). Во время одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе R_n паление напряжения u_r. В течение следующего полупериода, напряжение является обратным, тока практически нет и u_r=0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпериода. Его называют выпрямленным током. Он создает на резисторе R_н выпрямленное напряжение. Проследив направление тока, нетрудно установить полярность этого напряжения: со стороны катода диода получается плюс, а со стороны анода — минус.

Графики рис. 2 наглядно показывают процессы в выпрямителе. Переменная э. д. с. генератора изображена синусоидой с амплитудой Е_т (рис.2, a). Как правило, сопротивление нагрузки R_н во много раз больше сопротивление диода и тогда нелинейностью диода можно пренебречь (рабочая характеристика близка к линейной). В этом случае выпрямленный ток имеет форму импульсов, близкую к полусинусоиде с максимальным значением I_макс (рис, 2, б). Этот же график тока в другом масштабе изображает выпрямленное напряжение U_R, так как U_R = iR_H. Достаточно умножить значение тока на R_Н, чтобы получить кривую напряжения. График рис. 2, в изображает напряжение на диоде. Иногда ошибочно его считают синусоидальным или отождествляют с напряжением источника переменной э. д. с. На самом деле это напряжение имеет несинусоидальную форму. У него амплитуды положительных и отрицательных полуволн резко неодинаковы. Амплитуда положительных полуволн очень мала. Это объясняется тем, что когда проходит прямой ток, то большая часть напряжения источника падает на нагрузочном резисторе R_Н, сопротивление которого, значительно превышает

U_{пр.макс}=E_т – U_Rмакс=E_т – I_макс R_н <<E_т (1)

Для обычных полупроводниковых диодов прямое напряжение бывает не более 1-2 В.

Например, пусть источник имеет действующее напряжение Е=200В и Е_т = Е = 280 В. Если U_{пр.макс} = 2 В, то

U_Rмакс - 278 В. Если бы напряжение источника (например, 200 В) полностью было бы приложено к диоду, то это означало бы, что на резисторе R_H нет падения напряжения. Но это возможно только при R_H = 0. При этом ток был бы недопустимо большим и диод вышел бы из строя.

При отрицательной полуволне подводимого напряжения тока нет и падение напряжения на резисторе R_н равно нулю. Все напряжение источника приложено к диоду и является обратным напряжением. Таким образом, максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде э. д. с. источника.

Рассмотрим подробнее что представляет собой выпрямленное напряжение (все, что будет показано для него, относится и к выпрямленному току). Из графика рис. 2. б видно, что это напряжение сильно пульсирует. Полпериода напряжения совсем нет. Полезной частью такого напряжения является его постоянная составляющая или среднее значение U_ср. Для полусинусоидального импульса с максимальным значением U_макс среднее значение за полупериод равно:

U_ср=2/ U_максπ=0,636U_макс (2)

Так как во второй полупериод напряжения совсем нет_? то за весь период среднее значение вдвое меньше: U_ср=U_макс/π=0,318U_макс (3)

Приближенно U_ср составляет 30% максимального значения. Это приближение допустимо, так как действительная форма импульсов входного тока всегда несколько отличается от полусинусоиды. Поскольку падение напряжения на диоде очень мало, можно считать

U_макс≈E_m и U_ср≈0,3E_m (4)

Вычитая из выпрямленного пульсирующего напряжения его среднее значение U_cp, получим переменную составляющую U~, которая имеет несинусоидальную форму. Для нее нулевой осью является прямая линия, изображающая постоянную составляющую (рис. 3, а). На рис. 3, а полуволна переменной составляющей заштрихованы. Положительная полуволна представляет собой верхние две трети полусинусоиды, а отрицательная — имеет форму, близкую к трапеции. Длительность этих полуволн неодинаковы, но площади их равны, так как постоянная составляющая уже выделена.

Переменная составляющая является вредной частью выпрямленного напряжения. Для ее уменьшения в нагрузочном резисторе, т. е. для сглаживания пульсации выпрямленного напряжения, применяют специальные сглаживающие фильтры. На рис. 3, 6 переменная составляющая изображена отдельно. Она состоит из ряда гармоник. Труднее всего уменьшить первую гармонику (она показана штриховой синусоидой).

В сглаживающем фильтре применяются конденсаторы, через которые ответвляется переменная составляющая тока, чтобы она в меньшей степени проходила в нагрузку. Часто также в этих фильтрах ставят дроссели, т. е. катушки с большой индуктивностью, препятствующие прохождению переменной составляющей в нагрузку. Чем выше частота пульсаций, тем меньше сопротивление конденсаторов и больше сопротивление дросселей, а следовательно, тем эффективнее работает сглаживающий фильтр.

Если фильтр хорошо ослабляет первую гармонику пульсаций, то более высокие гармоники подавляются еще больше. А так как они и по амплитуде меньше, чем первая гармоника, то практически нужно заботиться о подавлении первой гармоники, являющейся «главным врагом».

В простейшей схеме выпрямителя первая гармоника пульсаций очень велика. Ее амплитуда t/_wi больше полезной постоянной составляющей и равна:

U_m1=0,5 U_макс = l,57 U_ср. (5)

Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями, как правило непригодно для практических целей. Некоторое уменьшение пульсаций дают более сложные выпрямительные схемы. Простейшим методом сглаживания пульсаций является применение конденсатора достаточно большой емкости, шунтирующего резистор нагрузки R_H (см. рис. 1, б). Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода.

Конденсатор хорошо c-i /кг/кивает пульсации, если ею емкость такова, что выполняется условие

1/(ωC) << R_H

Во время некоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, приближающегося к Е_т. В то время, когда ток через диод не проходит, конденсатор ' разряжается через нагрузку R_н и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждый следующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.

Заряд конденсатора через сравнительно малое сопротивление диода происходит быстро. Разряд на большое сопротивление нагрузки совершается гораздо медленнее. Вследствие этого напряжение на конденсаторе и включенной параллельно ему нагрузке пульсирует незначительно. Кроме того, конденсатор резко повышает постоянную составляющую выпрямленного напряжения. При отсутствии конденсатора U_ср ≈0,3Е_т, а при наличии конденсатора достаточно большой емкости U_ср приближается к Е_т и может быть (0,8 ÷ 0,95) Е_т и даже выше. Таким образом, в однофазном однотактном выпрямителе конденсатор повышает выпрямленное напряжение примерно в 3 раза. Чем больше С и R_H, тем медленнее разражается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе U_ср к Е_т. Если нагрузку вообще отключить (режим холостого хода, или R_H = ∞), то на конденсаторе получается постоянное напряжение без всяких пульсаций, равное Е_т.

Работу выпрямителя со сглаживающим конденсатором поясняет рис. 4, на котором показаны графики э. д. с. источника е, тока через диод i и напряжением на конденсаторе U_C , равного напряжению на нагрузке U_R.

Процессы в выпрямителе с конденсатором поясняет следующая аналогия. Пусть к некоторому потребителю надо подавать по трубе равномерный поток газа. Но имеющийся нагнетательный насос накачивает газ толчками (импульсами), так как во время одного хода поршня газ только всасывается в насос, а к потребителю он перегоняется лишь во время обратного хода. Работа такой системы аналогична выпрямителю без конденсатора, причем двигатель насоса подобен источнику переменной э. д. с._? а клапаны насоса играют роль диода. Поставим между насосом и потребителем большой резервуар и накачаем в него газ. Из резервуара газ будет подаваться потребителю под почти постоянным давлением. Давление будет лишь незначительно пульсировать, так как насос толчками подкачивает газ в резервуар и поддерживает в нем среднее давление на одном и том же уровне. Резервуар подобен конденсатору. Чем больше его емкость и чем слабее поток газа, идущий к и о греби гелю, тем меньше пульсация давления.

Напряжение конденсатора приложено плюсом к катоду и минусом к аноду диода. Поэтому напряжение на диоде u_Д равно разности э. д. с. источника и напряжения конденсатора:

u_Д=e- u_C (7)

Так как u_C близко к Е_т, то u_Д становится прямым только в течение части положительного полупериода, когда э. д. с. e превышает u_C (вблизи амплитудного значения Е_т). В эти небольшие промежутки времени через диод проходит ток в виде импульсов, подзаряжающих конденсатор. Остальную часть периода u_Д обратное, ток отсутствует и конденсатор разряжается на нагрузку R_H.

Максимальное обратное напряжение на диоде получается при отрицательной амплитуде э. д. с., когда е = Е_т. Поскольку напряжение конденсатора также близко к Е_т то наибольшее обратное напряжение близко к 2Е_т. Если цепь нагрузки разомкнута (холостой ход), то максимальное обратное напряжение точно равно 2Е_т. Таким образом, применение конденсатора удваивает обратное напряжение по сравнению с его величиной при отсутствии конденсатора . Поэтому диод надо подбирать так, чтобы он выдержал это обратное напряжение.

Если пульсации должны быть весьма малыми или сопротивление R_H мало, то необходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т. е. сглаживание пульсаций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится включать дополнительный сглаживающий фильтр, состоящий из дросселя с большим индуктивным сопротивлением и еще одного конденсатора (или еще боле сложный фильтр).

Необходимо отметить, что весьма опасным является короткое замыкание нагрузки, которое, в частности, получается при пробое конденсатора сглаживающего фильтра. Тогда все напряжение источника будет приложено к диоду и ток станет недопустимым. Происходит тепловой пробой диода

Постоянная составляющая выпрямленного тока /а представляющая собой среднее значение выпрямленного тока, протекающего за период через нагрузку,

I₀ =l/πI_m=0.318I_m (8)

где I₀ - амплитуда тока через вентиль и обмотку трансформатора.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения на нагрузке

U₀ = I₀R_H =0.318U_m=0.45U₂ (9)

где U_m амплитуда напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора, равная U₂; U₂ — действующее значение напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора; R_H — сопротивление нагрузки.

Поскольку ток одновременно протекает по замкнутой цепи вентиль—нагрузка— трансформатор, то величина I_т характеризует амплитуду тока через вентиль и вторичную обмотку трансформатора.

Величина амплитуды тока

I_m = U_m/ R_H = π₀ /R_H =3,145I₀ (10)

Действующее значение напряжения и тока во вторичной обмотке трансформатора

U₂=0.707πU_m=2.22U₀ (11)

I₂=0.51I_m=1.57I₀ (12)

Трехфазная однотактная схема выпрямления с активной нагрузкой показана на рис. (5 а), где даны лишь вторичные обмотки трансформатора при включении их по схеме «звезда». Действие схемы рис. (5, а) может быть рассмотрено как действие однотактной схемы с любым числом фаз выпрямления. В любой момент времени действует лишь одна фаза, которая в это время имеет наибольший положительный потенциал относительно нуле­вой точки обмоток трансформатора. Ток протекает через вентиль каждой фазы в течение l/m-й части периода выпрямляемого тока. Чередование фаз выпрямления соответствует порядку следования фаз вторичной цепи трансформатора. Выпрямленный ток, являющийся суммарным током всех поочередно действующих фаз выпрямителя, имеет форму огибающей кривой, совпадающей с формой кривой э. л. с. фаз трансформатора (Рис.5. б).

Рис. 5. Схема и графики напряжений трехфазной однотактнои схемы выпрямления.

На основании теории рядов Фурье и в соответствии с обозначениями рис. 5, б можно определить необходимые расчетные соотношения.

Постоянные составляющие тока и напряжения на нагрузке равны:

(13)

(14)

соотношений (13-14) следует, что при одном и том же напряженна зажимах вторичной обмотки трансформатора можно получить различные значения выпрямленного напряжения U₀. Поэтому практически представляет интерес определить, насколько целесообразно выбирать то или иное число фаз выпрямления т. На основании, соотношений (13-14) получим:

При числе фаз выпрямления m………2 3 4 6 12 ∞

Отношение напряжений U₀/U₂………0,9 1Д7 1,27 1,35 1,39 1,41

Рис 6. Однотактной шестифазной схемы выпрямления

Очевидно, что выбирать большое число фаз выпрямления нецелесообразно, ибо, начиная с m ~ 6, схема выпрямления резко сглаживается, а отношение напряжений увеличивается ненамного. В большинстве случаев достаточно ограничиться трехфазной схемой выпрямления, если мощность выпрямителя невелика и для сглаживания пульсации не требуется сложный фильтр.

ДВУХТАКТНЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

На рис.7, а показана однофазная двухтактная схема выпрямление, которая часто называется однофазной мостовой схемой. В ней в течение одного полупериода, выпрямленный ток протекает через вентиль B₁ сопротивление нагрузки R_Н, вентиль B₃ и замыкается по вторичной обмотке трансформатора. В течение второго полупериода выпрямленный ток протекает через вентиль B₂, сопротивление нагрузки R_Н, вентиль B₄ и замыкается по вторичной обмотке трансформатора. Следовательно, по нагрузке ток протекает в одном направлении в течении всего периода выпрямляемого тока, а по вторичной обмотке трансформатора протекают два импульса тока, т. е. Схема является двухтактной

На основании приведенных выше соотношений при т = 2 можно получить расчетные формулы для схемы рис. 7,a в следующем виде:

постоянные составляющие выпрямленного тока и напряжения:

; (15)

;

действующее значение тока вентилей, соединённых последовательно,

(16)

Рис. 7. Схемы и графики токов и напряжений в однофазных двухтактных выпрямителях.

максимальное значение тока последовательно соединенных вентилей В₁ - В₃ или В₂-B₄,

; (17)

действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

; (18)

из соотношений следует_? что ток вторичной обмотки трансформатора не равен току вентилей. Это обусловлено тем, что за период выпрямляемого тока через вентили протекает один импульс тока, а через обмотку трансформатора — два импульса тока.

Описанный процесс действия схемы рис. 7,а иллюстрируется графиками рис.7,б.

На рис. 7,в показана однофазная двухтактная схема выпрямления с нулевым выводом вторичной цепи трансформатора (со средней точкой обмотки). Обе половины вторичной обмотки участвуют в работе выпрямителя поочередно: в первый полупериод цепь выпрямленного тока замыкается через вентиль B₁ сопротивление нагрузки R_H и обмотку трансформатора; во второй полупериод выпрямленный ток замыкается через вентиль B₂, сопротивление нагрузки R_H и обмотку трансформатора. По нагрузке ток протекает в течение всего периода в одном направлении с полярностью, отмеченной на рис. 7, в. Описанную схему рис. 5, в. названную однофазной двухтактной схемой, лучше называть двухфазной однотактной. Ее действие соответствует данному выше определению числа тактов выпрямления, поскольку за период выпрямляемого тока в каждой половине повышающей обмотки трансформатора протекает один импульс тока. Кроме того, в технике переменного тока не применяется двухфазный ток в связи с трудностями его генерирования и отсутствием цепей двухфазного тока. В данной схеме осуществляется преобразование числа фаз выпрямляемого тока: первичная обмотка трансформатора питается однофазным током, а на вторичной обмотке создается двухфазный ток.

Для схемы рис. 7,в могут быть получены следующие расчетные соотношения:

постоянная составляющая выпрямленного напряжения

; (19)

постоянная составляющая выпрямленного тока

; (20)

тока вентиля (В₁ или В₂ )

; (21)

действующее значение тока вентиля

; (22)

действующее значение тока каждой половины вторичной обмотки

Рис.8 Схема и графики токов и напряжении трехфазного двухтактного выпрямителя.

Трехфазная двухтактная схема выпрямителя (трехфазная мостовая) с включением вторичных обмоток трансформатора по схеме звезда показана на (рис. 8, а). В любой момент времени ток протекает через два последовательно соединенных вентиля, сопротивление нагрузки и обмотки двух фаз. Например, в течение времени, равного “0” периода.

Выпрямляемого тока (заштриховано на (рис.8, б), имеется наибольшее положительное напряжение между линейными проводами I и III фазы. В этот отрезок времени при полярности; показанной на (рис. 8, а), ток замыкается через вентиль B₁, сопротивление нагрузки R_н вентиль В₃ и последовательно соединенные фазные обмотки I—III. Спустя Т/6 наибольшее положительное линейное напряжение будет между I и III фазами, причем плюс на II фазе, как это следует из рис .Тогда ток замкнется через вентиль B₃, сопротивление R_H вентиль В₅ и последовательно соединенные фазные обмотки II -III. Указанный порядок следования фаз определяет-, через какие пары вентилей протекает ток. Если изменить порядок следования фаз, то изменится сочетание последовательно соединенных вентилей.

Таким образом, в течение каждого периода выпрямляемого тока через каждую фазную обмотку трансформатора протекают два импульса тока, длительность каждого из которых составляет Т/6: через каждый вентиль протекает ток в течение Т/3 в виде двух импульсов с длительностью каждого Т/6. Схема (рис.8.а) может быть рассчитана по приведенным выше расчетным соотношениям для многофазных однотактных схем выпрямления, если в них подставить т = 6. При этом получим

постоянную составляющую

; (23)

постоянную составляющую выпрямленного напряжения

; (24)

действующее значение тока вторичной обмотки каждой фазы трансформатора

I₀=0,817I₀; (25)

максимальное значение тока через последовательно соединенные вентили

; (26)

действующее значение тока вентилей I_Н=0,58I₀.