Порядок выполнения работы

Лабораторная работа №15

1. Тема: «Исследование полупроводниковых выпрямителей»

2. Цель работы: Изучить одно - полупериодные и двух-полупериодные схемы выпрямителей, схемы фильтров, а также методы расчетов выпрямителей в цепях однофазного тока.

Знать:

- основные элементы выпрямителя

-одно-полупериодную схему

- основные параметры диодов

Уметь:                   

- рассчитывать выпрямители в цепях однофазного тока

Техника безопасности при выполнении работы:

• Перед началом работы следует проверить отсутствие напряжения на зажимах источника.

• Включить схему под напряжение, убедившись, что никто не прикасается к токоведущим частям схемы.

• Перед включением цепи под напряжение, предупредить об этом всех членов бригады.

• Включить схему в сеть без предварительной проверки ее преподавателем или лаборантом категорически запрещается.

• После включения схемы запрещается касаться руками проводов и частей приборов, находящихся под напряжением.

• Любые изменения в схеме цепи выполнять только после выключения ее из сети. Включение в сеть после внесенных изменений проводить с разрешения преподавателя.

При обнаружении отклонений в работе элементов цепи немедленно отключить его от сети и сообщить об этом преподавателю или лаборанту.

• Категорически запрещается оставлять без присмотра электроустановку, находящуюся под напряжением.

• Разбирать цепь только после отключения его от источника напряжения на рабочем месте.

• Главные выключатели включаются и выключаются только преподавателем или лаборантом. «При несчастном случае немедленно отключить напряжение и оказать первую медицинскую помощь тому, кто пострадал от электрического тока.

4. Оборудование:

Трансформатор 1 шт.

Диоды 4 шт.

Катушка индуктивности 1 шт.

Амперметр 2 шт.

Вольтметр 2 шт.

Конденсатор 2 шт.

Реостат 1 шт.

Выключатель

 

 

5. Теоретическое обоснование:

Основными элементами выпрямителей переменного тока являются: трансформатор, электрический вентиль, фильтр и потребитель. Трансформатор используется для преобразования напряжения сети до необходимой величины а также для разделения цепей постоянного и переменного токов.

Электрический вентиль осуществляет преобразование переменного напряжения в пульсирующее, где частота пульсации зависит от использования схемы, по которой построено выпрямитель. Фильтры предназначены для сглаживания пульсирующего тока, то есть уменьшение переменной и повышение постоянной составляющих.

В цепях однофазного тока применяют следующие схемы построения выпрямителей: одно-полупериодное, двух-полупериодное с выводом от средней точки трансформатора, мостовой.

На рис. 1 показана принципиальная схема одно-периодного выпрямителя с активной

нагрузкой.

Рис. 1.

Одно-периодная схема характеризуется тем, что через потребителя ток будет проходить только в течение одной половины периода, тогда как на аноде вентиля потенциал будет положительным, а на катоде отрицательным. При изменении знака потенциала на противоположный ток через вентиль не пройдет, потому что он имеет очень большое обратное сопротивление. Предельный электрический режим диодов характеризуют следующие параметры:

U_m.max – максимальное обратное напряжение;

I_m.max - максимальный прямой ток.

Необходимо учитывать также максимальную частоту диодов. В случаях повышения этой частоты диоды теряют вентильные свойства. Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется выполнение условий

I_пр.сер>I_м.сер и U_{зв.макс}>√2U_2макс При выпрямлении напряжения, амплитудное значение которого превышает U_{зв.макс}диода, включают последовательно несколько однотипных диодов. Пульсирующий выпрямленный ток І₀ создает потребителю спад напряжения U₀, которая называется выпрямленным напряжением. Для оценки эффекта выпрямления пульсирующий ток раскладывают на составляющие: постоянный І_сег и переменный І_м. Для одно-периодной схеми выпрямления постоянная составляющая тока будет равна  

І_сег=0,45/2

где /₂ - действующее (ефективное) значение синусоидного тока вторичной

                                                            І_м

обмотки трансформатора, которое равно √2.

Что касается переменной составляющей выпрямленного тока Ім то ее можно определить, если воспользоваться значением коэффициента пульсации:

                                                    

К п=

Oткуда І_л_ = К_пІ _сер, г де под коэфициентом пульсации понимают величину, которая равняется соотношению амплитуды переменной составляющей выпрямленного тока к его постояннойсоставляющей.Так как для одно-периодной схеми К„ = 1,57, то

                                                               І_м,.=1,57І_сер=0.7І₂. 

Аналогично записываются выражения для определения постоянной U_сер и U_м переменной составляющих выпрямленного напряжения U₀:

                                                            Uсер =0,45U2     

                                                                           Um=0.7U2                  

где U₂ - действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Наконец, чтобы полностью охарактеризовать свойства одно-периодной схеме выпрямления, нужно определить максимальное значение обратного напряжения. Как видно из схемы, она будет равняться амплитудному значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора:U_{зв.макс}= 1,41U₂.                                               

К положительным качествам одно-периодной схемы следует отнести ее простоту и возможность использования только одного вентиля. Однако существенные недостатки (большая пульсация, небольшое значение постоянной составляющей, вынужденное намагничивание сердечника трансформатора во-постоянной составляющей, большое обратное напряжение и др.) привели к тому, что в наше время схема используется редко.

Широко используется на практике двух-полупериодное схема выпрямления однофазного тока с выводом от средней точки трансформатора.

Для схемы характерно то, что выпрямленный ток I₀ проходит через сопротивление нагрузки R_н в течение полного периода. Действительно, если потенциал верхней точки "а" вторичной обмотки трансформатора будет выше потенциал его нижней точки "b", то будет работать вентиль VD1 так как ток пройдет от точки "а" через вентиль VD1 и R_H до средней точки 0. При этом через вентиль VD2 ток пройти не может, так как он будет иметь большое обратное сопротивление. При изменении знака приложенного напряжения на противоположное, то есть, если потенциал нижней точки b будет выше потенциала верхней точки "а" будет работать вентиль VD2. В этом случае ток замкнется в круге так: точка "b", вентиль, потребитель, точка 0. Таким образом, через резистор нагрузки R_H выпрямленный ток пройдет как в момент одного, так и в момент второго полпериода приложенного напряжения, поэтому схема называется двух-периодной.Значения I и К„ нам известны, теперь легко определить переменную составляющую

І_M.=К_пІ_сер =0,667-0,9/2

U_м.=0,6U₂.

Если пренебречь внутренним сопротивлением вентиля прямому току, то величина максимального обратного напряжения, приложенного к любому из вентилей, будет равна удвоенному значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора, следовательно

U _{зв.макс}=2U_M2=2,82U₂.

По сравнению с одно-полупериодной схемой данная схема имеет существенные преимущества, к которым следует отнести:

1) меньшая величина пульсаций, больше значение постоянной составляющей, что позволяет использовать более простые фильтры;

2) отсутствие принудительного подмагничивания сердечника трансформатора, вызванная компенсацией противоположно направленных магнитных потоков, которые образованы равными и противоположно направленными выпрямленными токами, которые протекают по равным половинам вторичной обмотки трансформатора;

3) лучшее использование трансформатора, потому что вторичная обмотка работает оба полупериода, что значительно повышает коэффициент использования первичной обмотки, а следовательно, и всего трансформатора.

Наличие в схеме двух вентилей и трансформатора с выводом от средней точки несколько усложняет схему по сравнению с одно-полупериодное, но в связи с вышеупомянутыми преимуществами она получила очень широкое применение на практике, особенно в радиотехнике и электронике.

Широкое применение получила и другая двух-пертодное схема в цепи однофазного тока - однофазная мостовая схема выпрямления. В этой схеме применяются четыре вентили, которые включаются по принципу измерительного моста. К одной диагонали такого моста подается переменное напряжение от трансформатора, а к другой присоединяется потребитель.

Принцип работы мостовой схемы такой. При положительном потенциале в точке "а" ток пойдет через вентиль VD1, резистор потребителя, вентиль VD3 к точке "b". При изменении знака потенциала на противоположный тока будет проходить от точки "b" через вентиль VD2, потребитель (в том же направлении), вентиль VD4 к точке "а".

1) Следовательно, в каждый полупериод через потребителя будет проходить выпрямленный ток, который создает выпрямленное напряжение. Все, что было сказано о физических явлениях, которые происходят при выпрямлении в двух-периодной схеме с выводом от средней точки трансформатора остается верным и для мостовой схемы. Однако эта схема масс и свои электрические свойства. К достоинствам мостовой схемы по сравнению с двух-полупериодной схеме с нулевой точкой следует отнести:

2) вдвое меньшее напряжение на вторичной обмотке трансформатора;

3) значительно меньшее обратное напряжение, приходящееся на вентиль, так как всегда работают два последовательно включенных вентиля; лучшее использование трансформатора, так как вся вторичная обмотка работает в течение каждой половины периода;

4) отпадает необходимость вывода от средней точки трансформатора;

возможность использования схемы без трансформатора, если число набранных вентилей рассчитан на напряжение сети.

Порядок выполнения работы

Выполнить исследования на натурной модели одно-полупериодного и двух-полупериодного выпрямителей и фильтров.

6.1. Собрать схему согласно рис.2.

\

-

 

6. 2 Снять внешнюю характеристику выпрямителя Ц U= ƒ(I) без фильтра, для чего с помощью переменного резистора нагрузки изменяют величину выпрямленного тока от нуля до номинального значения. Данные измерений занести в таблицу

6.3 Снять внешнюю характеристику выпрямителя с Г-образным и П-образным фильтрами.

6.4 С помощью осциллографа снять осциллограммы мгновенных значений на вторичной обмотке трансформатора и нагрузке. Осциллограммы мгновенных значений напряжений зарисовать.

6.5 Снять осциллограммы мгновенных значений напряжения с Г-образным и П-образным фильтрами. Осциллограммы зарисувати.

6.6 Определить коэффициент пульсации К_п выпрямленного напряжения на нагрузке без фильтров и с фильтрами (Г-образным и П-образным).

Для этого необходимо измерить амплитуду основной гармоники напряжения на нагрузке і/_тоі„ и среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке U, которое определяется по вольтметру на стенде. U_т определяют из осциллограммы напряжений на нагрузке, снятом без фильтра и с фильтром:

U = Nm_U [В],

где N— количество делений, которые соответствуют амплитуде осциллограммы;

m„- масштаб осциллограммы напряжений (вольт/деление). Данные измерений и расчетов занести в таблицу 6.2.

6.7 Определить частоту пульсации выпрямленного напряжения на нагрузки

таженні без фильтра:

                                                                   1 1

ƒ = Т =nm

где Т - период осциллограммы; п - количество делений относительно периода осциллограммы; m - масштаб времени осциллограммы (время/делений).

6.8 По данным п. 6.3 построить внешние характеристики выпрямителя в одной системе координат.

Таблица 6.1

12.5.2.

 

% п/п	Без фильтра		Г-подобний фильтр		П-подобний фильтр
	Uн.сер. В	Iн.сер. А	Uн.сер. В	Ін.сер, А	Uн.сег. В	Ін.сер. А
1
2
3
4
5
6

Таблица 6.2

12.5.3.

Режым выпрямления	Um.осн. B	Uн.сер. В	К„
Без фильтра
Г-подобний фильтр
П-подобний фильтр

 

Контрольные вопросы

7.1 Перечислить основные параметры диодов и объяснить вольт-амперную характеристику диодов.

7.2 Нарисуйте блок-схему выпрямителя и поясните назначение основных узлов.

7.3. Объясните принцип действия однополупериодного выпрямителя, двух-полупериодного выпрямителя и мостовой схемы выпрямителя.

7.4 Свойства и сравнительные характеристики схем выпрямления (одно-полупериодной, двух-полупериодной и мостовой).

7.5 Какой вид имеет внешняя характеристика выпрямителя и зависимость КПД выпрямителя от нагрузки?

7.6 Объясните, шо такс коэффициент пульсации и как он определяется для 3-х основных схем выпрямления?

Вывод

9. Литература: