Лабораторная работа №2

Выпрямители тока

Литература

Ф.Г.Китунович. Электротехника. Мн., 1999

Выпрямители, как источники постоянного тока, применяются при проведении демонстраций, выполнении лабораторных работ и физического практикума. Для этих целей в настоящее время выпускаются полупроводниковые выпрямители. Наибольшее распространение в школьных кабинетах физики получили следующие выпрямители: селеновые (ВСШ-6, ВС-4-12, ВС-24М); универсальные (германиевые) выпрямители ВУП-1 и ВУП-2; лабораторные (кремниевые) источники питания (типа ЛИП-90).

Целью данной работы является изучение устройства и правил эксплуатации различных типов школьных выпрямителей. В процессе подготовки и выполнения работы необходимо овладеть следующими знаниями, умениями и навыками:

1. Изучить устройство полупроводниковых вентилей и механизм выпрямления тока, а также работу различных схем выпрямления и сглаживающих фильтров.

2. Изучить устройство, технические параметры и правила эксплуатации выпрямителей тока.

3. Овладеть навыками подбора выпрямителей для различных опытов, зная их технические параметры.

4. Уметь устранять простейшие неисправности выпрямителей (замена предохранителей; нарушение электрических контактов и др.).

Принцип действия полупроводниковых выпрямляющих

элементов (вентилей)

Основным элементом школьных выпрямителей тока являются селеновые, германиевые и кремниевые полупроводниковые диоды (вентили).

Действие полупроводниковых вентилей основано на нелинейной зависимости тока, текущего через p-n переход, от напряжения на нём (рис. 2-1). Это объясняется следующим образом. Пусть вентиль включен в цепь так, что потенциал области p-типа положительный, а n-типа – отрицательный  (рис. 2–2,а). В этом случае ток через p-n переход будет осуществляется основными носителями: из области n в область p электронами, а из p в n–дырками. Вследствие этого проводимость вентиля будет большой, а сопротивление малым. Такой переход называют прямым. Его вольтамперная характеристика изображается кривой ОА (рис. 2-1).

Если включить вентиль в цепь так, чтобы область p имела отрицательный потенциал, а n– положительный (рис. 2-2,б), то через p-n-переход электроны будут идти из области p в область n, а дырки – из n в p, т. е. переход через контакт осуществляется не основными носителями тока. Поэтому проводимость вентиля оказывается малой, а сопротивление большим. Этот переход называют обратным. Его вольтамперная характеристика изображена к ривой ОВ (рис. 2-1).

Рис. 2-1 Рис2-2, а. Рис. 2-2, б

Таким образом, p-n-переход по отношению к току оказывается несимметричным: в прямом направлении его сопротивление значительно меньше, чем в обратном. Это свойство p-n-перехода используется для выпрямления тока.

Чем меньше прямое и больше обратное сопротивление вентиля, тем лучше его выпрямляющие свойства. Отношение прямого тока к обратному в вентиле называется коэффициентом выпрямления:

Величина тока и напряжения, допустимые на один вентиль, зависят от его размеров, физических и химических свойств материала. Чтобы уменьшить приходящееся на каждый элемент напряжение, увеличивают их число, соединяя между собой последовательно. При параллельном соединении элементов получают большой выпрямленный ток. В этом случае общая нагрузка распределяется между отдельными элементами. Чтобы не превзойти норм напряжения и силы тока на каждый элемент, их соединяют в последовательно-параллельные группы и конструктивно оформляют в виде вентильных столбиков.

Схемы выпрямления тока

Схема выпрямления выбирается в зависимости от принципа действия вентиля, мощности и характера нагрузки выпрямителя и др. Простейшей схемой выпрямления является однополупериодная схема (рис. 2-3). Благодаря вентилю Д ток проходит через нагрузку R в течение одной половины периода. При этом ток является пульсирующим, прерывистым, но постоянным по направлению. Однополупериодная схема выпрямления тока используется в измерительных приборах детекторной системы и для питания маломощных потребителей.

Д ля измерения выпрямленных тока и напряжения применяют магнитоэлектрические приборы, которые показывают среднее значение их величин. В случае однополупериодного выпрямления.

Рис.2-3

Среднее значение тока (напряжения) связано с максимальным значением следующим соотношением:   

При двухполупериодном выпрямлении ток через нагрузку проходит в течение обоих полупериодов. Такое выпрямление можно осуществить по схеме с выводом от средней точки трансформатора и по мостовой схеме.

В схеме с выводом от средней точки трансформатора (рис. 2-4) ток в течение одного полупериoда проходит через диод Д₁, а в течение второго полупериода – через Д₂. Поэтому каждая половина трансформатора нагружена в течение одного полупериода. Эта схема состоит из двух однополупериодных схем, работающих на общую нагрузку.

В мостовой схеме выпрямления (рис. 2-5) ток в течение одного полупериода проходит через диод Д₁, нагрузку и диод Д₃; в течение второго полупериода – через диод Д₂, нагрузку R и диод Д₄. Через цепь, собранную без нагрузки, переменный ток течь не может, так как в каждой ветке выпрямительные элементы включаются навстречу друг другу.

Рис.2-4

При двухполупериодном выпрямлении (рис. 2-4, рис. 2-5) средние значения выпрямленного тока и напряжения определяются следующими формулами:

Мостовая схема широко применяется для получения выпрямленных напржений от десятков до тысяч вольт.

Д ля сглаживания пульсаций выпрямленного тока приме-няются сглаживающие филь-тры. В качестве сглажи-вающего фильтра может быть использован конден-сатор; конденсатор и дрос-сель; конденсатор и резистор. Лучшее сглажива-ние пульсаций получается, если одновренно подключи-                Рис.2-5                                        ть дроссель и два электролитических конденсатора, как показано на рисунке 2-6, а. Такой фильтр называется П-образным LC-фильтром. В практике используется также П-образные RC-фильтры, которые представляют собой электрическое соединение резистора и двух элекктролитических конденсаторов (рис. 2-6, б).

Рис. 2-6, а Рис. 2-6, б

Фильтр включается между выпрямительной схемой и нагрузкой.

Устройство и техническая характеристика школьных

выпрямителей

Выпрямитель селеновый ВС-4-12

В ыпрямитель ВС-4-12 служит для преобразования переменного

Рис. 2-7 Рис. 2-8

напряжения 127 или 220 В в выпрямленное пульсирующее напряжение от 4 до 12 В (4, 6, 8, 10 и 12 В) при силе тока до 3 А. Внешний вид выпрямителя и внутренне устройство показаны на рисунках 2-7 и 2-8.

В ыпрямитель (рис. 2-8) состоит из металлического корпуса 1, понижающего трансформатора 2, селенового столбика 3, щитка 4 с предохранителями на 1 А (127 В) и 0,5 А (220 В), разъёма 5 для присоединения электрошнура с вилкой и переключателя 6 выходного напряжения по ступеням 4, 6, 8, 10 и 12 В. Переключение осуществляется за счёт скольжения пластины по контактным лепесткам, происходящего при вращении ручки переключателя. При этом выводы вторичной обмотки, подключённые в определённом порядке, замыкаются и тем самым меняется величина подводимого на столбик напряжения.

Рис. 2-9 Рис. 2-10

На панели прибора (рис. 2-7) смонтированы: ручка переключателя 7, сигнальная лампочка 8, однополюсный выключатель 9, два зажима 10.

Принципиальная электрическая схема выпрямителя показана на рисунке 2-9. Выпрямитель собран по двухполупериодной мостовой схеме. Количество элементов в выпрямителе 4. Принципиальная схема соединения элементов выпрямителя показана на рисунке 2-10

Выпрямитель ВС-24М

Выпрямитель ВС-24М (рис. 2-11) предназначен для получения постоянного регулируемого напряжения до 24 В при максимальной силе тока 10 А. Прибор позволяет также получать переменное регулируемое напряжение до 30 В при силе тока до 10 А.

У стройство выпрямителя показано на рисунке 2-12. На шасси 1 установлен понижающий трансформатор 2, селеновый столбик 3, щиток для предохранителей 4 и щиток для электроизмерительных приборов 5.

Рис. 2-11    Рис. 2-12

Н а передней панели прибора (рис. 2-11) установлены вольтметр и амперметр 6 магнитоэлектрической системы для измерения постоянного напряжения и силы тока, снимаемых с выпрямителя, сигнальная лампочка 7, две пары универсальных клемм 8, ручка плавной регулировки снимаемого напряжения 9, выключатель 10. Около ручки 9, вращением которой производится плавная регулировка постоянного и переменного напряжений, нанесена шкала, по которой ориентировочно определяется величина снимаемого переменного напряжения от 0 до 30 В.

Рис. 2-13

Электрическая схема прибора показана на рисунке 2-13. Для получения постоянного напряжения используется двухполупериодная мостовая схема. Регулировка постоянного напряжения осуществляется за счёт изменения величины напряжения, подаваемого на селеновый столбик. Переменное регулируемое напряжение снимается непосредственно со второй обмотки трансформатора, минуя столбик. При одновременном подключении потребителей к постоянному и переменному напряжению суммарное значение силы тока не должно превышать 10 А. Перед началом работы с выпрямителем необходимо убедиться в исправности и правильности установки предохранителя (в приборе должен быть установлен только один предохранитель на 4 А для 127 В или 2 А для 220 В). Перед включением нагрузки нужно ручку плавной регулировки снимаемого напряжения поместить в нулевое положение шкалы.

В последнее время выпускаются выпрямители В-24М, которые по своим техническим характеристикам идентичны выпрямителям ВС-24М. Отличие состоит в том, что в выпрямителях В-24М мостовая схема выпрямления тока собрана на четырех кремниевых диодах, а не на двенадцати селеновых вентилях, как в ВС-24М.

Выпрямитель универсальный полупроводниковый ВУП-2

Выпрямитель универсальный ВУП-2 (рис. 2-14) является универсальным источником выпрямленного напряжения, предназначенным для питания радиотехнических приборов и учебных демонстрационных установок.

Прибор представляет собой комбинированный полупроводниковый выпрямитель, внутренее устройство которого показано на рисунке 2-15, а его электрическая схема приведена на рисунуке 2-16.

Выпрямитель ВУП-2 состоит из следующих основных частей:

1– трансформатора, мощностью 150 Вт, рассчитанного для включения в сеть переменного тока напряжением 127 и 220 В;

2– дросселя;

3– полупроводникового высоковольтного моста, смонтированного на 4-х германиевых диодах Д7Ж и однополупериодного выпрямителя 100 В на 2-х диодах Д7Ж;

4 – пяти электролитических конденсаторов С₁ и С₂ емкостью по 20 мкФ, 450 В, включенных до и после дросселя; С₃, С₄ и С₅ емкостью 20 мкФ, 300 В, включенных в низковольтный участок выпрямителя;

Рис.2-14 Рис.2-15

5– бумажного конденсатора С₆ емкостью 2 мкФ, 200 В, включенного на выход регулируемого напряжения 100 В;

6– потенциометра R₁ сопротивлением 10 кОм для регулирования напряжения от 0 до 250 В;

7– потенциометра R₂ сопротивлением 47 кОм для регулирования напряжения от 0 до 100 В;

8– щитка с предохранителями: П₁ на силу тока 1 А, который устанавливается на щитке в угольники верхнего ряда (справа – при сетевом напряжении 127 В, слева – при напряжении 220 В); П₂ на силу тока 0,5 А предназначен для защиты выпрямителя в случае короткого замыкания высокого напряжения во внешней цепи (устанавливается в нижние угольники щитка);

9– съёмного корпуса, закреплённого к передней панели. В задней стенке корпуса имеется отверстие для вывода шнура с вилкой и окно для доступа к щитку с предохранителями;

10-– передней панели (рис. 2-14), на которой расположены: с левой стороны клеммы +350, +250, -общ. В нижнем ряду расположены клеммы регулируемого напряжения от 0 до 250 В, переменного напряжения 6,3 В и регулируемого напряжения от 0 до 100 В. В верхней части расположены ручки для регулирования напряжения от 0 до 250 В и от 0 до 100 В, а также индикаторная лампочка. В правой части расположен тумблер для включения прибора и ламповая панель, на которую выведены напряжения: к 2 и 7 ножкам - 6,3 В, к 6 и 8 – 350 В, к 3 и 8 – 250 В, к 4 и 5 – 100 В. Ламповая панель служит для включения генератора сантиметровых волн, который снабжён м ногожильным кабелем с цоколем от радиолампы.

Рис. 2-16

Выходные данные выпрямителя: выпрямленное напряжение 350 В (200 мА); постоянное (сглаженное) напряжение 250 В (50 мА); регулируемое постоянное (сглаженное) напряжение от 0 до 250 В (50 мА); регулируемое выпрямленное напряжение от 0 до 100 В (5 мА); переменное напряжение 6,3 В (3 А).

Регулируемое напряжение 0 100 В является напряжением с изменяющейся полярностью на клеммах К₁ и К₂ (рис.2-16) в зависимости от направления вращения ручки потенциометра R₂. Это осуществляется следующим образом. Плечи а и б вторичной обмотки трансформатора одинаковые, поэтому напряжения на С₃ и С₄ равные, т.е. Uс₃=Uc₄ . Ннапряжение , приложенное к R₂, равно Uc₃+Uc₄. При установке движка потенциометра R₂ в среднее положение Uc₃+Uc₄ делится пополам, в результате чего средняя точка потенциометра и общая точка конденсаторов С₃ и С₄ приобретают одинаковый потенциал. При этом напряжение на клеммах К₁ и К₂ становится равным нулю. Смещение движка потенциометра вверх от точки “нуля” обеспечивает на клемме K₁ положительный потенциал, а перемещение вниз – отрицательный потенциал.

С помощью выпрямителя ВУП-2 можно получить напряжение до 450 В. Для этого необходимо включить последовательно выпрямленное напряжение 350 В и регулируемое напряжение 100 В. Такое повышенное напряжение требуется при работе с камерой Вильсона, демонстрационным счетчиком ионизирующих частиц, вакуумным фотоэлементом и др.

В последнее время выпускается модернизированный выпрямитель ВУП-2М, который имеет такую же электрическую схему и технические характеристики, что и базовая модель. Модернизация заключается в том, что с передней панели выпрямителя убраны клеммы высокого напряжения 250 и 350 В (это напряжение подается только на клеммы ламповой панели и уменьшена максимальная величина регулируемого напряжения с 0-250 В до 0-100 В, клеммы которого остались на передней панели выпрямителя.