Исследование электронной схемы однофазного мостового неуправляемого выпрямителя, измерение основных параметров

Лабораторная работа №6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Ознакомление с устройством и принципом работы полупроводни­ковых однофазных выпрямителей, экспериментальное исследование их свойств и определение основных параметров.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

СТРУКТУРА И НАЗНАЧЕНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Для питания радиоэлектронной аппаратуры, устройств автоматики и вычислительной техники требуется постоянное напряжение различ­ных значений. Наиболее распространенным источником электрической энергии является промышленная сеть переменного напряжения часто­той 50 Гц. Для преобразования переменного синусоидального напряже­ния сети в постоянное напряжение применяют выпрямители.

Электрическая схема, предназначенная для преобразования энер­гии переменного тока в энергию постоянного тока, называется выпрямителем. Выпрямление переменного тока производится при по­мощи электрических вентилей (полупроводниковых диодов), обладаю­щих односторонней проводимостью.

Выпрямительное устройство обычно имеет следующую структуру (рис. 1).

Схема любого выпрямителя содержит три основных элемента:

 

силовой трансформатор - устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети и нагрузки;

выпрямительный элемент (вентиль), имеющий односторон­нюю проводимость, - для преобразования переменного напряже­ния в пульсирующее;

фильтр - для сглаживания пульсирующего напряжения. Выпрямительное устройство, в зависимости от схемы соединения иназначения, может быть однофазное и трехфазное, управляемое и не­управляемое.

Для устройств электроники, автоматики, сигнализации, контроля и т.п. требуются небольшие мощности. Поэтому для их питания обычно применяются однофазные выпрямители с диодами малой и средней мощности. Для выпрямления однофазного переменного тока применя­ются как однополупериодные, так и двухполупериодные схемы выпрямителей.

 

ОДНОПОЛУПЕРИОДНОЕ ВЫПРЯМЛЕНИЕ

Схема однополупериодного выпрямителя переменного тока приве­дена на рис.13.2.

Рис. 13.2. Однополупериодный выпрямитель

 

На рис. 13.2 обозначены: U- напряжение на первичной обмотке трансформатора; U₂- напряжение на вторичной обмотке трансформа­тора; и_Н - напряжение на нагрузке Я_н; i_H- ток, протекающий через нагрузку.

Когда начинается отрицательный полупериод, в точкеа будет отрицательный потенциал относительно точки b.Диод VDбудет закрыт, и через нагрузку ток не протекает, следовательно, i_H= 0 и выходное напряжение нулю. Из изложенного ясно, что ток и напряжение на нагрузке является пульсирующими, причем за период T синусоидального переменного напряжения в нагрузку проходит только одна по­луволна.

Таким образом, через диод и нагрузочный резистор при однополу-периодном выпрямлении проходит пульсирующий ток в виде импуль­сов, длящихся полпериода и разделенных промежутком также в полпе­риода. Поэтому временные диаграммы тока и напряжения на нагрузке выглядят так, как показано на рис. 13.3.

Недостатками однополупериодной схемы выпрямления являются:

высокий уровень пульсации (К_П ~ 1,57) выпрямленного напряже­ния;

низкий КПД, т.к. выпрямитель работает только на одной (положи­тельной) полуволне переменного напряжения;

значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали. Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в

тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низ­ким током потребления.

ДВУХПОЛУПЕРИОДНОЕ ВЫПРЯМЛЕНИЕ

Для снижения коэффициента пульсаций выпрямленного напряже­ния pи повышения к.п.д. выпрямителя применяются двухполупе-риодные схемы выпрямления.

Наиболее часто применяется в самых различных устройствах мо­стовая схема выпрямителя, показанная на рис. 13.4.

В положительный полупериод точкаа имеет положительный по­тенциал, а точка b- отрицательный. Вследствие этого диоды VD2и VD4будут открыты и по ним протекает ток i₁,который является и током нагрузки I_H,создавая на нагрузке напряжение и_Н. При отрицательном полупериоде потенциал точкиа будет отрицательным, а точки b- по­ложительным. Диоды VD3и VD1 открываются (VD2и VD4закрывают­ся), что приводит к протеканию тока i2, который в нагрузочномсопротивлении R_H имеет такое же направление, что и ток i_j.

Таким образом, в положительный и в отрицательный полупериоды ток через нагрузку имеет одинаковое направление, но изменяется по ве­личине, т.е. пульсирует. Вид выпрямленного напряжения при двух-полупериодном выпрямлении представлен на рис. 13.5.

В двухполупериодной мостовой схеме (рис. 4) ток через нагрузку в оба полупериода протекает в одном направлении, причем ток во вторичной обмотке трансформатора также протекает в течение обоих полупериодов и является синусоидальным, что исключает дополни­тельное намагничивание сердечника.

Простейшим фильтром является конденсатор, который включается параллельно нагрузке. В положительный полупериод конденсатор за­ряжается до максимального входного напряжения U_maxи затем разряжа­ется через нагрузку R_H.Емкость конденсатора выбирают такой величи­ны, чтобы для частоты пульсаций ю_П реактивное сопротивление кон­денсатора Х_с было много меньше сопротивления нагрузки R_H.Тогда постоянная времени разряда цепи т^ = С_ф-11_н значительно больше пе­риода пульсаций, конденсатор разряжается сравнительно медленно и напряжение на нем уменьшается незначительно. Это приводит к увели­чению среднего значения выпрямленного напряжения U₀на нагрузоч­ном резисторе R_Hи к снижению коэффициента пульсаций р.

На рис. 13.6 иллюстрируется влияние накопительного конденсато­ра на форму выходного напряжения однополупериодного выпрямите­лей. Выходное напряжение содержит значительную по величине посто­янную составляющую, на которую наложены малые пульсации напря­жения. Амплитуда этих пульсаций определяется постоянной времени т_раз. для используемого конденсатора Сф и нагрузочного резистора R_H. Поэтому конденсатор должен иметь значительную емкость - от 100 до 5000 мкФ (и даже больше).

Рис. 13.6. Влияние конденсатора на форму выпрямленного синусоидального напряжения

 

 

.

НАПРЯЖЕНИЕ ХОЛОСТОГО ХОДА

Напряжением холостого хода называют величину выход­ного напряжения выпрямителя при нулевом токе нагрузки, т.е. при от­ключенной нагрузке. На рис. 13.7 показан однополупериодный выпря­митель без нагрузочного резистора.

Накопительный конденсатор Сф заряжается, как обычно, до мак­симального значения входного напряжения. Однако, если нагрузка не подключена, этот конденсатор сохраняет свой заряд и обеспечивает тем самым постоянное значение выходного напряжения (равное максимальному входному напряжению) без каких-либо пульсаций. Таким образом, напряжение холостого хода Uxx- это максимально возможное напряже­ние источника питания.

ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Увеличение выходного тока выпрямителя приводит к уменьше­нию его выходного напряжения. Это связано с тем, что выпрямитель имеет свое внутреннее сопротивление, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки трансформатора, выпрямительных диодов и ре­зистора или дросселя сглаживающего фильтра.

Выходное напряжение максимально, когда ток нагрузки равен ну­лю, т.е. при холостом ходе. Напряжение на выходе источника питания, которое он обеспечивает при установленной полной нагрузке или но­минальном (полном) токе нагрузки, называется номинальным вы­ходным напряжениемU_HOM источника питания.

^Uвых^В

Рис. 13.8. Внешняя характеристика выпрямителя

 

2.6. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Основными характеристиками выпрямителей являются:

Номинальное напряжение постоянного токаU₀ (U_cp)- среднее значение выпрямленного напряжения. Обычно указыва­ется напряжение до фильтра U₀и напряжение после фильтра (или от­дельных его звеньев - U). Определяется значением напряжения, необ­ходимым для питаемых выпрямителем устройств.

Номинальный выпрямленныйток I₀- среднее значе­ние выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей, питаемых выпрямителем.

Входное напряжениеU_x- напряжение сети переменно­го тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряже­ния для бытовой сети - 220 вольт с допускаемыми отклонениями не бо­лее 10 %.

Пульсация - переменная составляющая напряжения или то­ка на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

Частота пульсацийf- частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой - днополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения напряжения дают пульсации, часто­та которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы вы­прямителя и числа фаз.

Коэффициент пульсацийр - отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока

 

Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (р₀ %) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (р %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.

Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) - отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пуль­саций на выходе фильтра q = p_ex/р_вых. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.