ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСКТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Министерство образования Российской Федерации "МАТИ" Российский Государственный Технологический Университет

им. К. Э. Циолковского

Кафедра «Электроники и информатики»

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСКТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Методические указания к лабораторной работе

Составители: Пяткин А. А.

Румянцева М. Н, Севастьянов К. С.

Москва 2006 г.

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания, написанные для студентов неэлектрических факультетов всех специальностей «МАТИ» - РГТУ им. К. Э. Циолковского, предназначены обеспечить выполнение лабораторной работы курса «Электротехника и промышленная электроника».

В данной работе изучаются:

- выпрямительные схемы переменного тока различных видов.

- роль емкостных и индуктивных сглаживающих фильтров и области их целесообразного применения в информационной и силовой электронике.

1. ЦЕЛЬ И СОДРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ

А. Изучить схемы и особенности работы одно- и двухполупериодных

выпрямителей переменного тока.

Б. Исследовать влияние сглаживающих фильтров на внешние характеристики выпрямительного устройства.

В. Выполнить расчет коэффициентов пульсации и сглаживания емкостных и индуктивных фильтров для обоснования области их эффективного применения в выпрямительных схемах.

2. МЕТОДИКА ВЫПОЛЕНИЯ ЗАДАНИЯ

В работе исследуются неуправляемые выпрямительные устройства, выполненные на диодах

Для удобства анализа изменены допущения, что диоды – идеальны, т.е.:

R_пр = 0; R_обр = ∞

2.1 Основные характеристики схем выпрямления:

а) Коэффициент пульсации. Важнейшей характеристикой (параметром) оценки качества выпрямительной установки (схемы) является коэффициент пульсации тока (напряжения):

q = I_m / I_cp (1)

где I_m – амплитуда гармоники в спектре выпрямления тока;

I_cp – среднее значение тока.

В однополупериодной схеме такой гармоникой является первая (основная) с амплитудой

(2)

Соответственно в двухполупериодных схемах низшей гармони­кой является вторая, для которой

(3)

Подставляя полученные значения амплитуд в (1), получаем для коэффициентов пульсации:

- при однополупериодной схеме выпрямления

q=1, 57 (4)

- при двухполупериодных схемах выпрямления

q = 0, 67 (5)

Как видно из (4) и (5), двухполупериодное выпрямление ха­рактеризуется заметно меньшими пульсациями тока, а потому более широко используется в выпрямительных устройствах.

б) Внешняя характеристика выпрямителя. Вторым важнейшим показателем выпрямительной установки, определяющим ее эксплуата­ционные возможности, является внешняя характеристика выпрямителя ,т.е. зависимость выходного напряжения от тока наг­рузки.. Поскольку выпрямители используют в качестве вторичных ис­точников (преобразовательной) постоянного тока, то практический интерес имеет внешняя характеристика по постоянному току, т.е. где и - соответственно средние значения выходного напряжения выпрямителя и тока нагрузки, изме­ряемые электроизмерительными приборами постоянного тока (например, магнитоэлектрической системы).

На рис.1 приведена внешняя характеристика выпрямителя по постоянному току.

Рис. l. Внешняя характеристика выпрямителя (по постоянному току)

2.2. Сглаживающие фильтры и оценка эффективности их работы.

Большинство потребителей постоянного тока критичны к пульсациям питающего напряжения. Хорошее качество выпрямительного напряжения может быть обеспечено максимальным снижением коэффициента пульсаций. Для этой цели используют сглаживающие фильтры. В простейшем варианте роль сглаживающего фильтра выполняют:

• конденсатор Сф, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр);

• индуктивная катушка Lф, подключенная последовательно с Rh (индуктивный фильтр);

• комбинация элементов Сф и Lф (индуктивно-емкостный фильтр).

Эффектность сглаживающих фильтров оценивается по значению коэффициента сглаживания

(6)

где q и (q)ф - коэффициенты пульсаций (1) напряжения соответственно при отсутствии и наличии сглаживающего фильтра, при этом

q<(q)ф (7)

то коэффициент сглаживания

S > 1, (S = 10-100) (8)

даже для простейших фильтров.

При использовании сложных многозвеньевых Г-образных фильтров величина S может достигать многих тысяч.

На практике наиболее эффективны комбинированные ( Г-образные) индуктивно-емкостные фильтры.

III. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Опыты проводятся на лабораторной установке выпрямителя рис. (2), которую используют в режимах одно- и двухполупериодного выпрямления.

Рис.2. Схема лабораторной установки для исследования характеристик однофазного выпрямителя.

Установка (рис.2) включает в себя:

- входной понижающий трансформатор Tp1, первичная обмотка которого исключается на напряжение 220 В, а вторичная – формирует напряжение 12 В;

• блок диодов (БД), состоящий из четырех полупроводниковых диодов, для получения одно- и двухполупериодных схем выпрямления с помощью переключателя S1;

• блок фильтров (БВ), состоящий из дросселя Lф и двух конденсаторов С1ф и С2ф, включение которых обеспечивается переключателями S3 и S4;

- цифровых измерительных приборов (вольтметра и миллиамперметра) . Вольтметр используется в двух режимах, в первом из которых он измеряет среднее напряжение Ucp, а во втором - действующее, т.е. U

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СООТНОШЕНИЙ ДЛЯ ОДНО- И ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫХ (МОСТОВОГО) СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

А. Исследование однополупериодного выпрямителя без фильтра.

S1 разомкнут. С помощью R_H установить I_cp = I_H = A; измерит цифровым вольтметром среднее напряжение U_cp, а затем действующее значение переменной составляющей U. Затем сделать замеры при I_H = 0. [I_max → R_H = 27 Ом]

Данные измерений внести в табл. 1.

По действующему значению переменной составляющей выходного напряжения U определяют соответствующую амплитуду:

U_m = √2 * U_~ (9)

Используя формулу (1), находят расчетом приближенное значение коэффициентов пульсации:

q = U_m~ / U_cp (10)

поскольку вместо амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения U_m в (9) использована суммарная амплитуда всех гармоник U_m~ .

Б. Исследование выпрямителя с сглаживающими фильтрами.

1) Емкостной сглаживающий фильтр включают параллельно нагрузке, способствуя снижению пульсаций выпрямленного выходного напряжения. Исследование проводят при тех же режимах I_H = I_HOM; I_H = 0,5I_HOM и I_H = 0 (хол. ход).

Данные записывают в табл. 1.

2) Индуктивный сглаживающий фильтр включают последовательно с нагрузкой и проводят исследование при тех же токах нагрузки.

Данные записывают в табл. 1.

В. Исследование 2-х полупериодного (мостового) выпрямителя.

S1 замкнут.

Затем повторяют измерения по п. А без фильтра и с фильтром.

Данные заносят в табл. 1.

По результатам измерений вычисляют коэффициент пульсации без фильтра и с фильтром и коэффициент сглаживания одно- и двух- полупериодного выпрямителя.

Данные заносят в табл. 1.

Таблица 1

Оценка эффективности сглаживающих фильтров.

Тип сглажи- вающего фильтра	Режим нагрузки	Измерено				Вычислено					Степень эффективности
		IH, A	Ucp, B		U~, B	q	(q) Ф			S
Без фильтра	номин.				—			—	—
	0,5 номин.							—	—
	холл. ход							—	—
Емкостный	номин.					—
	0,5 номин.					—
	холл. ход					—
Индуктивный	номин.					—
	0,5 номин.					—
	холл. ход					—

IV. ПЛАН И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучить электрическую схему установки (рис.1) с выяснением роли и назначения всех ее элементов.

2. Собрать установку (рис.1) и после проверки выполнить подпункты опытов, описанных выше.

3. Пользуясь данными табл. 1, построить на одном графике внешние характеристики однополупериодного выпрямителя U_cp = f(I_H) при наличии емкостного или сглаживающего фильтров. Для сравнительной оценки показать на этом графике пунктиром внешнюю характеристику выпрямителя без фильтра.

4. Пользуясь данными табл. 1, построить на одном графике внешние характеристики двухполупериодного выпрямителя. U_cp = f(I_H) при наличии емкостного или сглаживающего фильтров. Для сравнительной оценки показать на этом графике пунктиром внешнюю характеристику выпрямителя без фильтра.

5. Рассматривая в качестве критерия эффективности фильтра значение коэффициента сглаживания S, отметить в последнем столбце табл. 1 степень эффективности исследуемых фильтров.