Исследование однополупериодного и двухполупериодного мостового выпрямителя
Цель работы: Определить коэффициенты пульсаций напряжений в однополупериодном и двухполупериодном выпрямителях без емкостного фильтра и с емкостным фильтром. Исследовать зависимость выходных напряжений от токов в нагрузках выпрямителей.
Краткие сведения для подготовки к лабораторной работе
Устройство, преобразующее переменный ток в постоянный называется выпрямителем. Выпрямитель состоит из трех основных функциональных элементов: трансформатора, системы вентилей и сглаживающего фильтра. Трансформатор предназначен для преобразования величины стандартного напряжения U1=220В до напряжения U2, необходимого для получения постоянного выпрямленного напряжения U0.
Система электрических вентилей предназначена для преобразования переменного тока в пульсирующий ток. Электрическим вентилем называется прибор, проводящий ток в одном направлении. В качестве вентилей используются полупроводниковые диоды.
Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения (сглаживания)
пульсаций выпрямленного напряжения до величины, необходимой для нормальной работы потребителя. т.е. для преобразования пульсирующего напряжения в постоянное.
На рис.4.1. изображена схема однофазного однополупериодного выпрямителя. Она состоит из двухблочного трансформатора, полупроводникового диода, сопротивления нагрузки.
В этой схеме диод пропускает ток только в одном направлении в положительные полупериоды переменного напряжения U2, на нагрузочном сопротивлении Rн возникает пульсирующее напряжение Uвых, близкое по значению и форме к положительным полусинусоидам напряжения U2 (отличающееся на потерю напряжения в диоде).
На рис.4.2 показана форма напряжения в сопротивлении нагрузки.
Рис. 4.2. Форма напряжения в сопротивлении нагрузки
Пульсирующее напряжение на сопротивлении нагрузки равно сумме постоянной составляющей ряда гармонических составляющих, т.е. ряда синусоидальных составляющих с увеличивающейся частотой и уменьшающейся амплитудой.
(4.1)
где Umвых – амплитуда напряжения на нагрузке, – угловая частота, – частота напряжения сети.
Первое слагаемое в формуле (4.1) называется постоянной составляющей
.
Второе слагаемое называется первой или основной гармонической, остальные слагаемые – высшими гармоническими.
Степень пульсаций выпрямленного напряжения можно характеризовать коэффициентом пульсаций
, (4.2)
где U m1– амплитуда основной, наиболее ярко выраженной гармонической выходного напряжения.
Схема однофазного однополупериодного выпрямителя даёт очень высокий коэффициент пульсаций
.
Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой даёт меньше пульсаций. Эта схема изображена на рис. 4.3. Схема представляет собой два параллельно соединённые однополупериодные выпрямителя. Рассматриваемая схема может использоваться только с трансформатором, имеющим отвод от средней точки вторичной обмотки.
Диоды VD1 и VD2 работают поочерёдно, пропуская ток в разные половины периода. Направление тока через сопротивление, как в первую, как и во вторую половину периода одно и тоже. На нагрузке образуются полуволны напряжения одного и того же знака. Форма напряжения на сопротивлении нагрузки показана на рис.4.4.
Рис. 4.4.Форма напряжения на сопротивлении нагрузки.
Выходное напряжение при двухполупериодном выпрямлении можно представить в виде суммы постоянной и синусоидальной составляющих.
Частота основной, наиболее ярко выраженной гармоники равна 100Гц.
Коэффициент пульсаций в схеме двухполупериодного выпрямителя
. (4.3.)
Величина коэффициента пульсаций в схеме
.
Тот же эффект двухполупериодного выпрямления можно получить без применения трансформатора с помощью так называемой однофазной мостовой схемы выпрямителя (рис.4.5). В этой схеме к одной диагонали моста, образованного четырьмя диодами, подключена нагрузка, а к другой диагонали подключен источник переменного напряжения. В положительном полупериоде переменного напряжения U2 открыты и пропускают ток диоды VD1 и VD2. Диоды VD3 и VD4 закрыты. При отрицательном полупериоде переменного напряжения диоды VD3 и VD4 открыты, а диоды VD1 и VD2 закрыты. На нагрузке, как и в предыдущем случае, образуются полсинусоиды напряжения.
Рис. 4.5.Схема однофазного мостового выпрямителя.
Из-за падений напряжения на элементах выпрямителя от протекания токов выходное напряжение уменьшается с ростом тока нагрузки. Поэтому нагрузочная характеристика выпрямителя имеет спадающий характер.
Сглаживающие фильтры уменьшают пульсации выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор, включаемый параллельно нагрузке. Емкостное сопротивление конденсатора на частоте первой гармоники пульсации должно быть много меньше сопротивления нагрузки. Конденсатор заряжается, накапливает энергию в моменты времени, когда возрастает напряжение и ток в нагрузке и отдает накопленную энергию в нагрузку, когда напряжение и ток в нагрузке уменьшается. Происходит замедление спада напряжения. Применение емкостного фильтра приводит к уменьшению коэффициента пульсации и увеличению постоянной составляющей выпрямленного напряжения.
На рис.6 изображена форма напряжения на емкостном фильтре в схеме мостового выпрямителя, где ΔUc – переменная составляющая напряжения на конденсаторе, U0 – постоянная составляющая.
Рис. 4.6.Форма напряжения на емкостном фильтре на сопротивлении нагрузки.
Коэффициент пульсаций в схеме с фильтром определяется по формуле (4.4) при максимальном значении ΔUc.
На рис.4.1. изображена схема однофазного однополупериодного выпрямителя. Она состоит из двухблочного трансформатора, полупроводникового диода, сопротивления нагрузки.
(4.1)
– угловая частота, 
– частота напряжения сети.
.
, (4.2)
.
. (4.3.)
.
. (4.4)