Лабораторная работа №2

Выпрямители

Утверждено на заседании кафедры

Лабораторная работа №2

Выпрямители

Цель работы

Изучение принципа действия и схем выпрямителей постоянного тока. Исследование характеристик выпрямителей и их зависимостей от применяемых схем, фильтров и сопротивления нагрузки.

Теоретическая часть

Система электроснабжения в нашей стране и в других странах основаны на использовании переменного тока. У нас применяется переменное напряжение 220 В частотой 50 Гц. Это позволяет легко трансформировать его в напряжение другой величины. Различные потребители непосредственно используют такое напряжение. Это такие устройства, как осветительные лампочки, нагреватели, двигатели переменного тока и другие.

Однако кроме них существует большое количество других устройств, для питания которых необходимы источники постоянного тока. Прежде всего, это множество электронных устройств, применяемых в быту, системах автоматизации и других отраслях промышленности. Постоянный ток дают химические источники тока: батарейки и аккумуляторы. Но они имеют низкую мощность, ограниченный период работы и высокую цену.

Поэтому для питания стационарных потребителей используют выпрямители постоянного тока. Они преобразуют напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока. На выходе такого выпрямителя получается пульсирующее напряжение постоянного тока, которое пригодно для питания энергетических потребителей, например, двигателей постоянного тока. Для получения постоянного напряжения без пульсаций на выходе выпрямителя подключают фильтры.

Однофазный однополупериодный выпрямитель

Схема однополупериодного выпрямителя представлена на рисунке 1. Он выпрямляет только половину волн напряжения переменного тока вторичной обмотки трансформатора, показанного на рисунке 2.

Во время положительной полуволны на выводе 3 трансформатора плюс, а на выводе 4 минус. Электрический ток I_н будет протекать по цепи: с вывода трансформатора 3, через диод VD в прямой полярности, через нагрузку R_н, на вывод трансформатора 4. Во время отрицательной полуволны на выводе 3 трансформатора будет минус, а на выводе 4 плюс. Путь электрического тока I_н будет проходить: с вывода трансформатора 4, через нагрузку R_н, через диод VD в обратной полярности, на вывод трансформатора 3. Так как диод не пропускает ток в обратной полярности, то в этом случае ток будет отсутствовать. Поэтому через нагрузку R_н будет протекать пульсирующий ток постоянной полярности.

На рисунке 3 показана форма пульсирующего постоянного напряжения на нагрузке для . Связь между действующим переменным напряжением на выходе трансформатора и средним значением выпрямленного напряжения на нагрузке в нашем случае оно составляет и определяется выражением:

(1)

Амплитуда пульсаций равна и находится по выражению:

(2)

Как видим, в течение периода, равного 20 мсек напряжение увеличивается от нуля до максимального значения , а потом снова уменьшается до нуля. Половину периода оно равно нулю. Кроме постоянной составляющей оно содержит также переменную составляющую частотой 50 Гц в виде суммы гармоник, которые могут быть найдены путем разложения в ряд Фурье кривой графика. Для оценки качества выпрямленного напряжения используется коэффициент пульсаций:

(3)

где – амплитуда 1-ой гармоники

Для выбора типа выпрямительного диода VD необходимо знать средний прямой ток через диод и максимальное обратное напряжение на диоде . Для схемы рисунок 1 максимальное обратное напряжение на диоде равно амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Названные параметры находятся по выражениям:

(4)

(5)

Для улучшения качества выходного напряжения выпрямителя и сглаживания пульсаций используются фильтры. Наиболее часто в электронной технике используются емкостные фильтры. Так как конденсаторы необходимой емкости сейчас имеют небольшие размеры, вес и цену. Для этого параллельно нагрузке подключается фильтрующий конденсатор рисунок 4. Чем больше емкость конденсатора и меньше сопротивление нагрузки, тем больше сглаживается форма напряжения. На рисунке 5 показана форма напряжения при небольшой емкости конденсатора (5 мкФ). В течение первой части периода примерно 5 мсек происходит заряд конденсатора. При умеренной нагрузке эта ветвь графика практически совпадает с возрастающей частью синусоиды . В течение второй части периода примерно 15 мсек конденсатор разряжается через нагрузку. Эта ветвь представляет собой экспоненту с постоянной времени . В конце разряда напряжение приближается к нулю. Тем не менее в течении всего периода на нагрузке есть напряжение и протекает ток. Так как емкость конденсатора маленькая, то и коэффициент пульсаций остается большим. Для расчета коэффициента пульсаций q можно приближенно определить по графику рисунок 5. При использовании фильтра среднее напряжение на нагрузке и прямой ток через диод немного возрастают.

При использовании фильтрующего конденсатора большой емкости (200 мкФ) постоянная времени возрастает, разрядка конденсатора происходит медленно и форма напряжения значительно улучшается рисунок 6. При этом коэффициент пульсаций стремится к нулю. Среднее выходное напряжение значительно возрастает и примерно равно . Вместе с этим возрастает и средний прямой ток через диод. При средней величине емкости фильтра все параметры имеют промежуточные значения.

Во второй половине периода, когда со вторичной обмотки подается напряжение обратной полярности, оно суммируется с остаточным напряжением на конденсаторе . Поэтому при использовании емкостного фильтра максимальное обратное напряжение прикладываемое к диоду вдвое больше и будет равно:

(6)

Следует также отметить, что с увеличением частоты питающего напряжения при одной и той же постоянной времени уменьшается длительность периода, и конденсатор не успевает разрядиться. На рисунке 7 показана форма напряжения при использовании фильтра малой емкости и частоте напряжения 400 Гц. При сравнении рисунков 5 и 7 видно, что среднее напряжение возросло, а амплитуда пульсаций уменьшилась в несколько раз.

Так как при использовании однополупериодного выпрямителя выходное напряжение хорошего качества можно получить только при большом сопротивлении нагрузки и емкости фильтра, то такая схема используется при малых токах нагрузки или, если к качеству питающего напряжения не предъявляются требования. Кроме того, такие выпрямители используются в импульсных блоках питания электронных устройств, в которых частота составляет десятки и даже сотни кГц.