Лабораторна робота №3

Тема: Дослідження випрямляючих пристроїв

Мета: 1. Вивчення принципу роботи різних типів випрямлячів.

2. Аналіз процесів у схемі випрямного діодного моста.

3. Дослідження осцилограм вхідної і вихідної напруги для випрямного моста.

4. Вимір середнього значення вихідної напруги (постійна складова) в схемі випрямного моста.

5. Порівняння максимальної напруги на діодах та частоти вихідної напруги у мостовому і двопівперіодному випрямлячі.

6. Обчислення максимальної зворотної напруги U_max на діоді випрямного моста.

7. Вивчення впливу різних типів згладжуючих фільтрів на форму випрямленої напруги і на вихідні характеристики випрямляючих пристроїв.

Прилади й елементи

Вольтметр

Амперметр

Осцилограф

Джерело змінної напруги 120 В

Трансформатори

Діоди 1N4009

Резистори, конденсатори, котушки індуктивності

Теоретичні відомості.

Однофазні випрямлячі.

1. Однопівперіодний випрямляч.

Схема і часові діаграми напруг і струмів однопівперіодного випрямляча приведені на рис.3.1 і 3.2.

Рис.3.1.

Схема містить трансформатор ТР, в колі вторинної обмотки якого ввімкнено послідовно діод Д і опір навантаження Rн.

Якщо припустити що трансформатор ідеальний то, якщо напруга u₁ на первинній обмотці трансформатора змінюється за синусоїдним законом, то напруга на вторинній обмотці u₂ також буде синусоїдна.

Струм i_а через діод, а отже, і через резистор навантаження i_н з'являється в ті півперіоди, коли потенціал точки а вище за потенціал точки б вторинної обмотки трансформатора, оскільки в ці півперіоди діод Д відкритий. Коли потенціал точки а негативний відносно потенціалу точки б, діод закритий, струм в ланцюзі рівний нулю. Таким чином, струм в резисторі Rн з'являється тільки в одному з півперіодів напруги u₂, а схема називається однопівперіодною. У випадку припущення ідеального діода – в позитивний півперіод напруги u₂ величина напруги на резисторі навантаження рівна величині u₂, а на діоді нулю, і у від’ємний півперіод u_Н=0, а величина u_а = u₂.

У цій схемі U_н.ср=0,45U₂, і тоді .

Рис.3.2.

Недоліки цієї схеми:

- мале середнє значення струму навантаження Iн.ср;

- велика зворотна напруга U_{зв.макс} = U_2m;

- високий рівень пульсацій (коефіцієнт пульсації ).

Ці недоліки усуваються в двопівперіодних схемах випрямлячів, в яких використовуються обидва періоди напруги мережі.

2. Двопівперіодний випрямляч з середньою точкою трансформатора.

Випрямляч з виводом середньої точки вторинної обмотки трансформатора є двопівперіодним випрямлячем, схема і часові діаграми якого приведені на рис3.3 і 3.4.

Рис.3.3.

Випрямляч складається з трансформатора з вторинною обмоткою має середню точку, двох діодів Д1 і Д2 і резистора навантаження Rн_, ввімкненого між середньою точкою трансформатора і катодами двох діодів.

Схему можна розглядати як поєднання двох однопівперіодних випрямлячів ввімкнених на загальне навантаження.

Рис.3.4.

Вважаємо, що напруги на кожній половині вторинної обмотки трансформатора рівні між собою u_2а = u_2б = u₂.

Протягом додатної половини періоду напруги u_2а точки а схеми має вищий потенціал (++), ніж середня точка (+) і ще вищий потенціал, ніж точка б. При цьому діод Д1 відкритий, струм в резисторі навантаження i_н = i_а1, до діода Д2 прикладена напруга рівна u_аб.

У перебігу другої половини періоду напруги точка а має найнижчий потенціал (--), середня точка - вищий, а точка б найвищий потенціал (+), діод Д2 відкритий, струм в резисторі навантаження i_н = i_а2 і має такий самий напрям, що і в першому півперіоді.

У такій схемі величина U_н.ср = 0,9U₂, і струм навантаження визначається за формулою:

,

значить I_н.ср і U_н.ср в два рази вище, ніж в однопівперіодному випрямлячі. Пульсації значно менше (коефіцієнт пульсації р  0,67), проте зворотна напруга на закритих діодах удвічі більше

Uзв.макс = 2U_2m

3. Мостова схема випрямляча

Найпоширенішою схемою є мостова схема двопівперіодного випрямляча (рис.3.5) відповідні часові діаграми якої приведені на рис.3.6.

Рис.3.5.

Рис.3.6.

У цій схемі діоди Д1-Д4 включені по мостовій схемі, до однієї діагоналі якої підведена змінна напруга u₂, а до іншої підключений резистор навантаження Rн.

Протягом першої половини періоду напруги u₂, коли потенціал точки а додатний, а точки б -від’ємний, діоди Д1, Д3 відкриті, а Д2, Д4 - замкнуті, струм i_н тече через діод Д1, резистор навантаження Rн і діод Д3. До діодів Д2, Д4 прикладено напругу вторинної обмотки трансформатора u₂. У інший півперіод напруги u₂ потенціал точки а нижче за потенціал точки б і діоди Д2, Д4 відкриті, а Д1, Д3 закриті, при цьому струм i_н тече через діод Д2, резистор навантаження Rн і діод Д4 в тому ж напрямі, що і в перший півперіод напруги.

При цьому середній струм I_н.ср і середня напруга U_н.ср на навантаженні в два рази перевищують струм і напругу однопівперіодного випрямляча, а пульсації такі ж як у випрямлячі з середньою точкою.

Зворотна напруга на діодах в закритому стані рівна відповідно Uзв.макс = U_2m.

Величина U_н.ср = 0,9U₂ і струм навантаженню визначається формулою:

.

4. Згладжуючі фільтри

Випрямлена напруга має пульсуючий характер і її не можна безпосередньо використовувати для живлення електронних пристроїв. Тому для зменшення ступеня пульсації на виході випрямляча застосовують згладжуючі фільтри.

Фільтри складаються з конденсаторів і котушок індуктивності. Основні види фільтрів: ємнісний, індуктивний і змішаний.

Фільтр ємнісний (рис.3.7а) вмикається паралельно до резистора навантаження і шунтує його для складової струму. При цьому конденсатор C_ф спочатку заряджається під дією випрямленої напруги u_В, а потім розряджається через резистор Rн. Якщо постійна часу розряду конденсатора = C_фR_н значно перевищує період напруги u_2, то напруга при розряді зменшується неістотно (рис.3.7б), що приводить до значного збільшення середнього значення напруги на резисторі навантаження U_н.ср і до зниження ступеня пульсації випрямленої напруги.

Фільтр ємностний використовується для слабких струмів і невеликої потужності, тобто при високоомному навантаженні.

а) б)

Рис.3.7.

При цьому основною характеристикою фільтру є коефіцієнт згладжування ,

де: Р_вх - коефіцієнт пульсації на вході фільтру;

Р_вих - коефіцієнт пульсації на виході фільтру.

Для випрямлячів великої і середньої потужності застосовуються індуктивні фільтри які вмикаються послідовно з резисторами навантажень (рис.3.8а).

В результаті змінна складова струму через навантаження значно зменшується і знижує ступінь пульсації випрямленої напруги (рис.3.8б).

а) б)

Рис.3.8.

Частіше використовуються змішані фільтри: Г-подібний LС-фільтр (рис.3.9) або П-подібний CLC-фільтр (рис.3.10). Вони забезпечують вищий ступінь згладжування випрямленої напруги.

Рис.3.9. Рис.3.10.

5. Зовнішні характеристики випрямлячів

Залежність напруги від величини струму навантаження U_н = f(I_н) називають зовнішньою характеристикою випрямляча. Вона визначається формулою:

де: U_н.хх - напруга на навантаженні на холостому ходу (I_н=0);

R_тр - активний опір трансформатора;

R_д - опір діода в прямому напрямі.

На рис.3.11 представлені зовнішні характеристики деяких типів випрямлячів з фільтрами і без них: 1 - однопівперіодний випрямляч без фільтру;

2 - двопівперіодний випрямляч без фільтру;

3 - однопівперіодний випрямляч з С-фільтром;

4 - двопівперіодний випрямляч з RС-фільтром;

Рис.3.11.

Хід роботи

1. Використовуючи як навантаження опір R, зніміть три зовнішні характеристики однопівперіодного випрямляча U_d = f(I_d) (див. методику зняття зовнішніх характеристик):

- для випрямляча без фільтру;

- для випрямляча з C-фільтром (фрагмент схеми представлений на рис.3.7а);

- для випрямляча з CLC-фільтром (фрагмент схеми представлений на рис.3.10).

Для R=100 Ом замалюйте три осцилограми вихідної напруги з урахуванням масштабу.

Схема досліду зображена на рис.3.12.

Рис.3.12.

2. Замалюйте з урахуванням масштабу для Rн=100 Ом осцилограму вихідної напруги двопівперіодного випрямляча з середньою точкою трансформатора, зображеного на рис.3.3.

3. Використовуючи як навантаження опір R, зніміть три зовнішні характеристики двопівперіодного мостового випрямляча U_d=f(I_d) (див. методику зняття зовнішніх характеристик):

- для випрямляча без фільтру;

- для випрямляча з C-фильтром (фрагмент схеми представлений на рис.3.7а);

- для випрямляча з CLC-фільтром (фрагмент схеми представлений на рис.3.10).

Для R=100 Ом замалюйте три осцилограми вихідної напруги з урахуванням масштабу.

Схема дослідження двопівперіодного мостового випрямляча зображена на рис.3.15.

Рис.3.15.