Краткая справка по теории

Лабораторная работа 5

ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОМОЩНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Цель работы: исследовать схемы маломощных выпрямителей, экспериментально проверить соответствие основных параметров их расчетным значениям, совершенствовать навыки выполнения эксперимента в области электроники.

Краткая справка по теории

В общем случае структура выпрямителя может содержать силовой трансформатор, вентильный блок, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения. Большое разнообразие выпрямителей разделяют на однофазные и многофазные, однополупериодные и двухполупериодные.

Схема простейшего однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 2.5.1, а. На рис. 2.5.1, б и в приведены соответствующие этой схеме временные диаграммы напряжения. На рис. 2.5.1. введены обозначения:

– U_m.вх – амплитудное напряжение на входе вентильного блока;

– U_mп – амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке R_н, причем U_m.вх ≈ U_mп;

– Т_п – период пульсаций, равный периоду входного сигнала;

– - среднее значение выпрямленного напряжения.

К числу основных параметров выпрямителя также относятся:

– кратность пульсаций

; (2.5.1)

– действующее значение выпрямленного напряжения

; (2.5.2)

– коэффициент пульсаций К_п.

Коэффициент пульсаций определяется отношением амплитудного значения первой гармоники выпрямленного напряжения (пульсаций) – к среднему значению выпрямленного напряжения – , т.е.

, (2.5.3)

причем для схемы 2.5.1 U_mп1 = U_mп /2.

Достоинство схемы – простота. Недостатки – малые значения среднего и действующего токов и напряжений, большое значение пульсаций - К_п = 1,57.

Значительно лучшими параметрами обладает однофазная нулевая схема выпрямления, приведенная на рис 2.5.2.

Для этой схемы период пульсаций выпрямленного напряжения Т_п в два раза меньше периода входного напряжения. Следовательно,

; ,

, (2.5.4)

, (2.5.5)

, (2.5.6)

, (2.5.7)

, (2.5.8)

где .

Применение трансформатора с выводом от средней точки вторичной обмотки не всегда приемлемо. Свободна от этого недостатка однофазная мостовая схема выпрямителя (рис. 2.5.3).

Форма напряжения на сопротивлении R_H и параметры мостового выпрямителя такие же, как параметры схемы рис.2.5.2, а. Однако, в силу компактности именно однофазная мостовая схема получила широкое распространение.

Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 2.5.4, а. На рис. 2.5.4, б приведены графики напряжений на входе и выходе выпрямителя.

Для этой схемы среднее значение выпрямленного напряжения определяется выражением

(2.5.9)

Амплитудное значение первой гармоники пульсаций U_m.п.1 ≈0,207·U_m.вх. Коэффициент пульсаций К_п = 0,25, что значительно меньше коэффициента пульсаций однофазного мостового выпрямителя.

Более эффективна мостовая схема трехфазного выпрямителя (рис. 2.5.5, а).

В этой схеме огибающая выпрямленного напряжения содержит шесть пульсаций на интервале одного периода, т.е. m = 6, а

. (2.5.10)

Для уменьшения пульсаций применяют сглаживающие фильтры. Схема простейшего емкостного фильтра, сглаживающего пульсации однополупериодного выпрямителя, приведена на рис. 2.5.6, а.

Амплитудное значение пульсаций на выходе этого фильтра определяется выражением

. (2.5.11)

Среднее значение напряжения на выходе фильтра (на нагрузке) определяют как разность а коэффициент пульсаций на выходе выражением:

. (2.5.12)

Количественной оценкой качества сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания S. Он рассчитывается отношением коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра:

,

Задание на лабораторную работу

1. Исследовать схемы однополупериодного и двухполупериодного однофазных выпрямителей.

2. Исследовать схемы трехфазных выпрямителей.

3. Провести сравнительную оценку выпрямителей по результатам эксперимента.

Методические указания

1. Исследование однофазных выпрямителей.

1.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель.

Соберите схему по рис. 2.5.7.

Включите схему. На вход А осциллографа подается входной сигнал, а на вход В - выходной. Зарисуйте осциллограммы. Измерьте и запишите максимальные входные и выходные напряжения. Измерьте период пульсаций Т_п и период входного напряжения Т по осциллограмме. Вычислите частоту входного и выходного сигналов, кратность пульсаций m.

По осциллограммам напряжений определите U_овып, U_вып и сравните с показаниями вольтметра V2. Вычислите коэффициент пульсаций. В выводах объясните расхождение результатов с ожидаемыми теоретически.

Включите параллельно R_н конденсатор С_ф = 200μФ. Снимите осциллограммы напряжений на входе вентильного блока и на нагрузке, определите U_овып, U_вып, К_п. Сравните результаты с теоретическими расчетами, сделайте вывод о качестве эксперимента.

1.2. Однофазный двухполупериодный выпрямитель.

Составьте схему мостового выпрямителя по рис. 2.5.8.

По осциллограммам вычислите U_овып, U_вып, К_п без сглаживающего фильтра и с фильтром. По полученным результатам сформулируйте вывод о целесообразности применения схемы.

2. Трехфазные выпрямители.

2.1. Трехфазный однополупериодный выпрямитель.

Составьте схему по рис. 2.5.9.

Включите схему и снимите осциллограммы напряжений. По осциллограммам определите Т_п, m, U_овып, U_вып. Включите в цепь нагрузки конденсатор, вновь снимите осциллограммы напряжений и вычислите U_овып, U_вып, К_п. По полученным результатам сформулируйте вывод о целесообразности применения схемы. В выводах сравните полученные результаты с теоретическими расчетами.

3.2. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель.

Составьте схему по рис. 2.5.10.

Выполните исследования, аналогичные п. 3.1. В выводах проведите сравнительный анализ трехфазных выпрямителей.

Вопросы.

1. Каковы различия между входным и выходным сигналами однополупериодного выпрямителя?

2. Одинаковы ли вычисленное и измеренное вольтметром среднее значение выходного напряжения U_0вып?

3. Одинаковы ли частоты входного и выходного сигналов в схемах одно- и двухполупериодного выпрямителей?

4. Как влияет падение напряжения на диоде на выходное напряжение выпрямителя?

5. Зачем необходимы трансформаторы в схемах выпрямителей?

6. Чем отличается выходное напряжение в схемах однополупериодного и двухполупериодных выпрямителей?

7. Какие физические процессы положены в основу построения сглаживающих фильтров?

8. Проведите связь между кратностью и коэффициентом пульсаций с физической точки зрения.