Лабораторная работа № 20 Исследование схем выпрямителей переменного тока

Цель работы: Изучить однофазную однополупериодную и двухполупериодную схемы выпрямления переменного тока, исследовать их работу с помощью осциллографа.

Оборудование: Макет выпрямителя, электронный осциллограф.

Краткие теоретические сведения

Значительная часть элементов электронных устройств потребляет электрическую энергию в виде постоянного тока. Источниками постоянного тока могут служить гальванические элементы, аккумуляторы, термоэлектрогенераторы и выпрямители. Наиболее распостраненным источником постоянного тока является выпрямитель – устройство, преобразуещее переменный ток в постоянный.

Выпрямительное устройство можно рассматривать состоящим из трех основных узлов: силового трансформатора (для получения необходимой амплитуды напряжения), вентильного комплекта и сглаживающего фильтра. Из них совершенно необходимым для обеспечения процесса выпрямления является лишь вентильный комплект, представляющий один или несколько вентилей, включенных по определенной схеме. Сглаживающий фильтр, предназначен для подавления переменной составляющей в выпрямленном напряжении или токе. При некоторых видах нагрузки он может отсутствовать, наличие трансформатора также необязательно.

Как уже говорилось вентиль – это основной элемент выпрямителя. Он представляет собой идеализи-рованный элемент, который пропускает ток только водном направлении (это связано с тем, что при приложении к нему прямого напряжения, он имеет нулевое сопротивление, а при приложение обратного – бесконечное). В качестве вентилей наиболее широко используются полупроводниковые и электровакуумные диоды, вольтамперные характеристики которых имеет такие свойства ( только у них, в отличие от идеального вентиля, прямое и обратное сопротивления лишь стремятся к нулю и бесконечности – соответственно).

Выпрямители, в которых выпрямляется один полупериод напряжения питающей сети, называется однополупериодным выпрямителем. Схема однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой представлена на рис.1. Временные диаграммы входного напряжения и тока в цепи изображены на рис. 2.

Рис. 1 Однополупериодный выпрямитель

В схеме однополупериодного выпрямителя ток через вентиль и сопротивление нагрузки R_H протекает только в течение половины периода переменного напряжения U₂, действующего на

трансформатора. Как видно из рис. 2 такой ток имеет пульсирующий характер, т. е. протекает в одном

направлении и изменяется по величине от максимального значения Рис. 2 Временные диаграммы токов и напряжений на зажимах вторичной обмотки

до нуля. Показанная на рисунке постоянная составляющая выпрямленного тока I₀ представляет собой среднее значение тока, протекающего за период через сопротивление нагрузки R_H. Найдем значение этой составляющей:

Постоянная составляющая напряжения на нагрузке равна:

Заменив амплитудное значение U_2m его действующим значением

(U_2m= ), получим

.

Таким образом, постоянная составляющая выпрямленного напряжения U₀ на нагрузке значительно меньше действующего напряжения U_2.

Из рассмотрения работы схемы следует, что в отрицательный полупериод диод находится под напряжением равным напряжению на вторичной обмотке трансформатора. Следовательно наибольшее обратное напряжение, приложенное к диоду равно:

,

то есть обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения в однополупериодном выпрямителе равна:

,

где U_П(1) – амплитуда переменой составляющей выпрямленного напряжения, изменяющегося с частотой выпрямленного напряжения, т. е. амплитуда первой гармоники. Амплитуда первой гармоники для однополупериодной схемы составляет

.

Подставив это значение для коэффициента пульсаций получим К_П=1.57.

Такая большая величина коэффициента пульсаций является основным недостатком однополупериодной схемы выпрямления. Кроме того, постоянная составляющая выпрямленного тока І₀ в данной схеме значительно меньше действуещего значения тока во вторичной обмотке трансформатора (І₀=0.636І). Это приводит к недостаточному использованию обмоток трансформатора по току.

Этого недостатка лишена двухполупериодная схема выпрямления (с выводом средней точки и мостовая схема). Рассмотрим схему выпрямителя со средней точкой.

Рис. 3 Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

В схеме с выводом средней точки (рис. 3) вторичная обмотка силового трансформатора имеет три вывода: два – от концов обмотки А и В и третий – от ее середины О. По существу данная схема представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей работающих на нагрузку R_H.

Рассмотрим работу схему. В один из полупериодов, когда конец обмотки А положителен по отношению к среднему

Рис. 4 Токи и напряжения в нагрузке R_H выводу то, диод Д1 открыт, а Д2 – закрыт.

Поэтому ток в цепи течет по контуру от вывода А, через диод Д1, нагрузочное сопротивление R_H и замыкается через вторичную обмотку ОА. В следующий полупериод, когда вывод В положителен по отношению к точке О, ток проходит от вывода В через диод Д2, нагрузочное сопротивление R_H и замыкается через вторичную обмотку ОВ. Ток через нагрузку в оба полупериода проходит в одном направленнии, создавая на этом сопротивлении выпрямленное напряжение Uo. На рис. 4 приведены кривые выпрямленного напряжения и тока. Из рисунка видно, что выпрямленные ток и напряжение имеют форму синусоидальных импульсов, повторяющихся каждую половину периода. При одинаковых амплитудных значениях входного напряжения, постоянные составляющие тока и напряжения для двухполупериодной схемы оказывается в два раза больше, чем при однополупериодном выпрямлении: ,

Из рис.3 видно, что в течение того полупериода, когда диод Д1 открыт к диоду Д2 приложено напряжение всей вторичной обмотки (если пренебречь падением напряжения на открытом диоде Д1). Максимальное значение этого напряжения равно удвоенной амплитуде на одной из половин вторичной обмотки трансформатора. Очевидно, что такое же обратное напряжение испытывает и диод Д1 при открытом диоде Д2. U_обр=2U_2m= . Это соотношение показывает, что в этой схеме выпрямление обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение.

Среднее значение тока, проходящего через каждый диод равна І_ср=0.5І₀. Отсюда следует, что в двохполупериодной схеме велечина тока, проходящего через кардій диод, в два раза менше, чем в однополупериодной. Потому при одинаковом значении требуемого выпрямленного тока в двухполупериодной схеме можно использовать диоды, рассчитанные на меньшую величину допустимого тока, чем в однополупериодной схеме.

Действующее значение тока, проходящего через вторичную обмотку трансформатора, для двухполупериодной схемы составляет:

І₂=0.785І₀

Эта величина действующего значения тока І₂ в два раза менше, чем в однополупериодной схеме. Следовательно, в двухполупериодной схеме значительно лучше, чем в однополупериодной, используются обмотки трансформатора по току, что позволяет уменшить размеры и массу силового трансформатора.

Для двухполупериодной схемы, работающей на чисто активную нагрузку коэффициент пульсаций равен: К_П=0.67. Следовательно, двухполупериодная схема дает более сглаженное выпрямленное напряжение, что однако не исключает необходимости исползовать сглаживающие фильтры, а лишь позволяет существенно упростить их схему.

Необходимость осуществления вывода от середины вторичной обмотки является недостатком рассмотренной схемы, так ака при этом усложняется трансформатор. Этот недостаток устранен в двухполупериодной мостовой схеме. Ее схема при ведена на рис. 5

Рис. 5 Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя

Рассмотрим работу схемы. В один из полупериодов напряжения U₂, когда потенциал точки А больше чем точки В, ток проходит от точки А через диод Д1, сопротивление нагрузки и диод Д3 к точкеВ.В следующий полупериод, когда потенциал точки В больше чем А, ток пройдет от точки В через диод Д2, сопротивление нагрузки и диод Д4 к точке А. Направление тока, проходящее через нагрузочное сопротивление R_H, в течение обоих полупериодов остается неизменным. В отличие от однополупериодной схемы

выпрямления ток і, протекающий во вторичной обмотке трансформатора имеет

с инусоидальную форму, а постоянные

составляющие тока и напряжения в нагрузке

имеют в два раза большее значение :

,

Заменив амплитудное значение действующим получим: U₀=0.9U_2.

Н айдем обратное напряжение U_обр, прикладываемое к каждому диоду. По схеме видно, что напряжение U₂, прикладывается к диодам Д3 и Д4, а также к Д1 и Д2. При этом если потенциал точки А больше чем В, то на диоды Д1 и Д3 подается прямое напряжение, а на диоды Д2 и Д4 обратное. Поэтому диоды Д1 и Д3 имееют малое сопротивление и на них практически нет падения напряжение, а все напряжение падает надиодах Д2 и Д4, так как на них подается обратное напряжение и они имеют большое сопротивление. Если же потенциал точки В больше чем А, то по аналогичным рассуждением все напряжение вторичной обмотки падает на диодах Д1 и Д3. Поэтому максимальное обратное напряжение на диодах равно амплитудному напряжению вторичной обмотки U_обр= U_2m=1.41U₂=1.57U_0. Коэффициент пульсаций мостовой схемы К_П=0.67.

Вследствие меньшего коэффициента пульсаций и обратного

Рис. 4 Диаграммы токов и напряжений в

двухполупериодном выпрямителе

напряжения прикладываемого к диоду двополупериодная мостовая схема получила широкое распространение.

В большинстве случаев выпрямленное напряжение имеет намного большую пульсацию чем допускается для питания электронной аппаратуры. Для уменшения пульсации выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры.

Любой сглаживающий фильтр должен обеспечивать снижение пульсации выпрямленного напряжения, т. е. должен обладать необходимым коэффициентом сглаживания q: , где К_П –коэффициент пульсации до, а К´_П после фильтра.

Для того чтобы на выходе выпрямителя получить напряжение с меньшими пульсациями, достаточно паралельно сопротивлению нагрузки включить конденсатор. В те промежутки времени, когда ток поступает с выпрямителя конденсатор будет запасать энергию, а когда нет, то будет разряжатся на сопротивление нагрузки.

В качестве последовательных элементов фильтра чаще всего используют индуктивности и активные сопротивления. Параллельными элементами фильтра обычно служат конденсаторы.

Действие индуктивности как элемента фильтра сводится к тому, что в нем теряется наибольшая доля переменной составляющей напряжения, так как его сопротивление X_L=wL обычно намного больше чем сопротивление нагрузки. Для постоянной составляющей сопротивление индуктивности равно нулю.

Действие конденсатора как элемента фильтра сводится к тому, что шунтируя сопротивление нагрузки, он пропускает через себя наибольшую долю переменной составляющей выпрямленного тока, так как его сопротивление X_C= значительно меньше сопротивления нагрузки.

Для увелечения коэффицента сглаживания фильтра используют одновременное включение индуктивности – последовательно и емкости – паралельно нагрузке.( LC-фильтр). При этом на данной частоте спротивление индуктивности должно быть гораздо больше сопротивления нагрузки , а сопротивление емкости гораздо меньше сопротивления нагрузки . Для уменшения пульсаций доминимума используют несколько каскадов LC-фильтров.

Но использование индуктивности в сглаживающем фильтре сопряжено с конструктивными трудностями, так как она занимает много места на плате, также она вносит электромагнитные помехи, что приводит к нестабильной работе устройств, которые питаются от выпрямителя. Поэтому в некоторых случаях последовательно с нагрузкой вместо индуктивности ставят активное сопротивление, так как на нем как и на индуктивности тоже может задерживатся переменная составляющая. Но использование резистора вместокатушки индуктивности целесообразно при малой постоянной составляющей тока, который питает нагрузку, так как на активном сопротивлении фильтра теряется и посоянная составляющая напряжения, что приводит к уменьшению КПД фильтра.

Рис. 5 Схемы фильтров

Каждый выпрямитель, рассматриваемый как источник постоянного тока, характеризуется выходными параметрами:

1. 1.номинальное выпрямленное напряжение Uвн

2. номинальный выпрямленный ток I вн

3. Выходное сопротивление постоянному току Rвых0

2. 4. коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения или тока р(р1).

Основной характеристикой выпрямителя является нагрузочная характеристика Uв=f(Iв)

по этой характеристике определяется номинальное напряжение Uвн и выходное сопротивление постоянному току (при Iвн=Iвн)

Выходное сопротивление выпрямителя переменному току Z_вых в общем случае является комплексным и зависит от частоты переменной составляющей тока, потребляемого нагрузкой. Зависимость Z_вых или его активной составляющей Rвых от частоты называется импедансно - частотной характеристикой выпрямителя (ИЧХ). Общий вид этой характеристики определяется схемой фильтра.

Как потребитель энергии переменного тока выпрямитель характеризуется входными параметрами:

1.номинальное напряжение питающей сети Uсн

2. максимально допустимое напряжение питающей сети

3.номинальный потребляемый ток Iсн

4. Номинальная потребляемая мощность (полная и активная) Sсн и Рсн.

3. 5. коэффициент мощности

6. коэффициент полезного действия

В зависимости от характера нагрузки выпрямителя различают режимы:

1.активно-индуктивной нагрузки (нагрузка типа RL)

2.работа на противо эдс с ограничением тока активным сопротивлением (нагрузка типа (RE)

3.Работа на противоэдс с ограничением тока индуктивностью (нагрузка типа LE)

4. активно-емкостная нагрузка (нагрузка RC)

5. индуктивно -емкостная нагрузка (нагрузка типа LC).

Выпрямитель с нагрузкой типа RC обладает более крутой («мягкой»)

характеристикой и более высоким напряжением, обусловленным эффектом заряда емкости. Нагрузочные характеристики выпрямителей, работающих в режимах RL и LC совпадают в большей части полного диапазона, но при самых малых токах нагрузки напряжение выпрямителя с нагрузкой типа LC резко возрастает, в связи с переходом выпрямителя в режим прерывистого тока, котором проявляется эффект заряда емкости.

В качестве одного из преимуществ режимов RL и LC можно отметить более легкие условия работы вентилей и обмоток трансформатора по нагреву.

При нагрузке типа RC на работу выпрямителя оказывает существенное влияние активное сопротивление обмоток трансформатора и вентилей

Однофазная однополупериодная схема обычно применяется для выпрямления малых (до 10-15 Вт) мощностей. Достоинством схемы является ее простота. К недостаткам относятся: большое значение переменной составляющей выпрямленного напряжения и низкая частота ее первой гармоники, низкий коэффициент использования трансформатора по мощности, большая величина обратного напряжения на вентиле.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора определяется по формуле

где Uo -напряжение на нагрузке

где - ток в нагрузке

2. Однофазная мостовая схема широко применяется для получения малых и средних (<1кВт) мощностей выпрямленного тока. В схеме осуществляется двухполупериодное выпрямление однофазного тока. Коэффициент использования трансформатора в этой схеме больше, а режим работы вентилей более легкий, чем в других схемах.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора определяется по формуле

=1.11 где - напряжение на нагрузке

а ток =1.11 где - ток в нагрузке