Лабораторна робота № 11 Дослідження схем випрямлення
1Мета заняття:
1.1 Вивчити принцип дії однопівперіодний, мостової та схеми підсилення.
1.2 Дослідити основні характеристики випрямлячів.
2 Перелік приладів та устаткування:
2.1 Вимірювальний осцилограф.
2.2 Вольтметр змінного струму.
2.3 Стенд для дослідження схем випрямлення.
3 Загальні відомості:
Випрямлячем називається пристрій, який перетворює змінну напругу, полярність якого змінюється, в пульсуюче, полярність якого залишається постійною. Для отримання постійної напруги із пульсуючого на виході випрямляча ставлять згладжу вальні фільтри. Таким чином, випрямляч спільно з фільтром являється пристроєм, який перетворює змінну напругу у постійну. Три живленні від однофазної мережі змінного струму застосовуються такі схеми випрямлення однофазна схема випрямлення, мостова схема випрямлення і для збільшення навантажувальної напруги з порівнянням напруги на вторинній обмотці трансформатора схеми підсилення.
Випрямляч характеризується такими параметрами:
UВХ.НОМ - номінальною (із заданим значенням) вхідною напругою змінного струму заданої частоти;
ІНОМ - номінальним вихідним (навантажувальним) постійним струмом;
UНОМ - номінальною вихідною (навантажувальною) постійною напругою, відповідною UВХ.НОМ;
UХХ - напругою холостого ходу випрямляча;
КП - коефіцієнтом пульсації випрямляча.
Параметри випрямляча залежать від схеми випрямлення, яка для однофазного струму може бути одно- або двохпіхперіодной. У першій використовується для роботи одна півхвиля вхідної змінної напруги, а у другій - обидві півхвилі. Схема посилення випрямленої напруги при холостому ході в два рази збільшує номінальну вихідну напругу на навантажувачі.
Схеми випрямлення мають позитивні і негативні властивості:
а) Однопівперіодна схема випрямлення
- позитивна властивість – простота;
- негативні властивості - низька частота першої гармоніки випрямленої напруги, рівняється частоті мережі, часто зумовлює великий коефіцієнт вирівнювання фільтру; малий коефіцієнт використання трансформатору по потужності, великий коефіцієнт зворотної напруги G0 = 3,І4; значна величина постійної складової магнітної індукції в осерді трансформатору, яка викликана вимушеним намагнічуванням, та яка приводить до зниження на 30% максимальної індукції.
б) Мостова двохпівперіодна схема випрямлення
- позитивна властивість - простота трансформатору або, в частотному випадку відсутність його, число витків у вторинній обмотці зменшено в два рази у порівнянні з двохфазною схемою випрямлення, коефіцієнт використання трансформатору за потужністю досягає 0,9 при навантаженні з індуктивною реакцією та приблизно 0,66 при ємнісному характері навантаження, відсутність вимушеного намагнічування в трансформаторі, можна отримати на навантаженні половинні за величиною напруги.
- негативні властивості - велика кількість діодів, подвоєне пряме зменшення напруги на діодах, що істотно знижує ККД.
в) Схема множення
- позитивна якість - невелика кількість діодів - 2 (у схемі мостовій - 4), коефіцієнт зворотної напруги G = 1,5 (менше в 2 рази, ніж у мостовій схемі), число витків вторинної обмотки менше майже в 2 рази, ніж у мостовій схемі, коефіцієнт використання приблизно 0,64, тобто такий же, як у мостовій схемі та в 2 рази більше, ніж у двохфазній схемі.
- негативні якості - розміри конденсатора великі, обмежена знизу величина навантажувального опору Rн та крута зовнішня характеристика.
Вихідна напруга випрямляча залежить від навантажувального струму. Графік залежності середнього значення вихідної напруги від навантажувального струму називається зовнішньою характеристикою випрямляча. Її можна представити лінійною залежністю (рисунок 1).
Де UН - вихідна напруга на навантаженні;
UХХ - напруга холостого ходу випрямляча;
ІН - струм навантаження;
К - коефіцієнт, який визначає нахил характеристики.
Як випливає з приведеної залежності, вихідна напруга випрямляча зменшується із збільшенням навантажувального струму. Це обумовлено тим, що з збільшенням струму збільшується спад напруги на активних опорах обмоток трансформатора і послідовно включених елементах с згладжувального фільтра, а також збільшується внутрішній спад напруги на діодах. Таким чином коефіцієнт К представляє собою вихідний опір випрямляча, який можна визначити за його зовнішньою характеристикою за формулою:
де ΔUН - зміна вихідної напруги випрямляча, відповідної зміни струму навантаження на величину ΔІН.
Рисунок 1 - Зовнішня характеристика випрямляча
Якщо випрямляч поділений фільтром, звичайно, вихідний опір збільшується за рахунок включення в ланцюг струму доповненого активного опору, який має фільтр.
Коефіцієнт пульсації випрямленої напруги Кп називається відношення амплітуди основної гармоніки пульсації, на навантаженні до середнього значення випрямленої напруги.
.
Форма змінної напруги на ємнісному навантаженні випрямляча має пило образний характер. Така форма пульсацій випрямленої напруги зумовлена періодичним зарядом - розрядом ємності, включеної паралельно навантажувальному опору. Напруга основної гармоніки пульсацій U~1, приблизно дорівнює половині розмаху пило образної напруги на ємнісному навантаженні випрямляча. Амплітуда основної гармоніки змінної складової випрямленої напруги визначається за допомогою осцилографа (рисунок 2).
Рисунок 2 - Осцилографічний метод визначення амплітуди на навантажувальному опорі
Амплітуда основної гармоніки пульсації дорівнює:
.
Коефіцієнт пульсації схеми випрямлення, який працює на С – навантаження, дорівнює:
,
де U0 - показник вольтметру.
Пульсації вихідної напруги при наявності фільтра залежать від навантажувального струму. При чому, чим більший струм навантаження, тим більше пульсації.
Принципова електрична схема дослідження випрямлячів показана на рисунку 3.
Рисунок 3 - Принципова електрична схема дослідження випрямлячів
За допомогою лабораторного стенда дослідити три електричні схеми випрямлення. У даній схемі за допомогою перемикача SА2 можна дослідити окрему кожну схему випрямлення. За допомогою перемикача SАЗ здійснюється підключення фільтру типу С, за допомогою тумблера SА1 здійснюється включення трансформатора ТV у мережу змінного струму. За допомогою навантажувального резистора Rн здійснюють регулювання навантажувального струму, величину якого фіксуємо за допомогою міліамперметра РА. Паралельно навантаженню підключені вольтметр змінного струму РV1, вольтметр постійного струму РV2 і осцилограф N.
4 Література та посібники:
4.1 Артононов В. І., Бокуняїв А. А. Джерела електроживлення радіо пристроїв - М. Енергоіздат, 1982, с 7-54.
4.2 Векслер Г.С., Пилипський В. В. Електроживні пристрої електроакустичної і кінотехнічної апаратури – К.: Вища школа 1986, с 65-89.
5 Контрольні запитання:
5.1 Які переваги в мостовій схемі випрямлення у порівнянні з однопівперіодною схемою випрямлення?
5.2 Накресліть мостову схему випрямлення та поясніть принцип дії.
5.3 Накресліть однопівперіодну схему випрямлення та поясніть принцип її дії.
5.4 Накресліть схему підсилення та поясніть принцип її дії.
5.5 Що відбувається з вихідною напругою випрямляча при збільшені струму навантаження?
5.6 У якому випадку значення напруги випрямляча при зміні струму навантаження змінюється значно: без фільтра, з фільтром.
5.7 У якій схемі випрямлення при одному й тому ж середньому струмі навантаження, тече великий струм через провідний діод: у мостовій схемі випрямлення, в однопівперіодний чи з двома діодами?
5.8 Як залежить напруга пульсації випрямляча з фільтром від струму навантаження?
5.9 Як отримати від схеми випрямлення постійну напругу, позитивну і негативну?
5.10 Намалюйте форму струму у навантаженні в схемах випрямлення з активним та ємкісним навантаженням.
6 Порядок виконання роботи:
6.1 Підготування до роботи.
6.1.1 Ознайомитись з принциповою електричною схемою дослідницького макету (рисунок 3) та із загальними знаннями.
6.1.2 Підключити осцилограф та вольтметр змінного струму паралельно навантажувальному резистору.
6.1.3 Включіть осцилограф та користуючись інструкцією (п. 1.3) налагодити його.
6.1.4 Включити вольтметр змінного струму та дати йому прогрітись 10 хвилин.
6.1.5 Включити тумблер SА1, на дослідницькому стенді, при цьому повинна загорітись індикаторна лампочка.
6.1.6 За допомогою навантажувального резистора потрібно встановити мінімальне значення струму на міліамперметрі Р мА, тумблер SАЗ повинен бути включений.
6.2 Дослідження схем випрямлення.
6.2.1 Дослідження однопівперіодноі схеми випрямлення.
Встановити перемикач SА2/1...4 у положення 2, при цьому засвічується підсвітка напівпровідникового діода VD5.
Зняти зовнішню характеристику випрямляча при активному і ємнісному навантаженні, змінюючи струм навантаження від мінімального до максимального значення і заносячи результати до таблиці 1. Регулювання навантажувального струму здійснюється зміною опору резистора Rн.
Зняти залежність амплітуди пульсації вихідної напруги від струму навантаження при активному і ємнісному навантаженнях, та занести показники до рисунку 1. Вимірюють амплітуду пульсації за допомогою осцилографа При цьому до випрямляча підключають закритий вхід осцилографа.
Визначити коефіцієнт пульсації випрямляча для заданих значень напруг, які задаються викладачем. Дані знімаємо при виключеній ємності і включеній ємності.
Значення змінної складової визначаємо по вольтметру змінного струму. Данні спостерігання записуємо до таблиці 1.
Зняти на кальку осцилограми вихідної напруги з фільтром та без нього при максимальному струмі навантаження. При цьому необхідно на екрані осцилографа встановити нерухоме зображення кривої дослідницької напруги.
Визначити вихідний опір випрямляча з фільтром та без нього, користуючись побудованим графіком зовнішніх характеристик значення опорів записати у таблицю 4.