Неотъемлемой частью любых электронных узлов и систем являются вторичные источники электропитания (ВИЭП), обеспечивающие их электрической энергией требуемого вида и качества.. Параметры первичных источников электроэнергии не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним разнообразной электронной аппаратурой. Поэтому между самим первичным источником и электронной системой обычно включается специальное преобразующее устройство, называемое ВИЭП. Таким образом, назначение ВИЭП состоит в передаче энергии электронным устройствам с необходимым преобразованием и минимальными потерями.
Наиболее широко используются ВИЭП, преобразующие переменное напряжение промышленных и специальных сетей электропитания в постоянное.
Одним из основных элементов, оказывающих решающее влияние на качество работы ВИЭП, является выпрямитель. Показатели выпрямленного напряжения во многом определяются как схемой выпрямителя, так и используемыми элементами. Для маломощных ВИЭП в качестве выпрямляющих (вентильных) элементов чаще всего используются силовые полупроводниковые диоды. Основное (вентильное) их свойство: они проводят ток практически только в одном направлении.
На рис. 1 приведена принципиальная схема простейшего однополупериодного выпрямителя (а) и эпюры напряжения на нагрузке (б).
Рис. 1
При поступлении от первичного источника переменного напряжения Uвх диод будет открыт при положительной полуволне и закрыт при отрицательной. В результате при положительных полуволнах через VD и Rн будет протекать ток Iн, а при отрицательных полуволнах входного напряжения ток через нагрузку равен нулю. Таким образом, на Rн появляются импульсы напряжения, имеющие форму, близкую к полуволнам синусоиды (рис. 1,6), т.е. однополупериодный выпрямитель преобразует переменное напряжение в пульсирующее.
Рассмотренное однополупериодное устройство выпрямления имеет большие пульсации с низкой частотой. Для их снижения используются сглаживающие фильтры, простейший из которых представляется в виде конденсатора, включенного параллельно Rн. Для этого случая форма Uн представлена на рис. 1,6 пунктирной линией.
На рис. 2 приведена принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя (а) и эпюры напряжения на нагрузке (б)
Рис. 2
. Здесь использован трансформатор Тр с выводом от средней точки вторичной обмотки. Такая схема состоит из двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку Rн. Напряжения на диодах VD1 и VD2 находятся в противофазе. В один полупериод входного напряжения открыт один диод, а второй закрыт. В другой полупериод состояния диодов изменяются на противоположные. Таким образом, один из диодов в устройстве практически всегда открыт и по Rн будет протекать ток в оба полупериода входного напряжения. Среднее значение выпрямленного тока и частота пульсаций здесь в 2 раза больше, чем в однополупериодном выпрямителе. Если на выходе двухполупериодного выпрямителя включить сглаживающий конденсатор, то форма Uн будет представлена на рис. 2,6 пунктирной линией.
Наиболее часто в ВИЭП используется мостовая схема выпрямления, содержащая два последовательно включенных двухполупериодных выпрямителя на одной обмотке трансформатора. На рис. 3 приведена принципиальная однофазная мостовая схема выпрямителя. Она содержит трансформатор Тр и четыре диода, включенных по схеме моста. К одной диагонали моста подведено переменное напряжение, а с другой снимается выпрямленное напряжение.
При положительной полуволне напряжения на верхнем выходе вторичной обмотки Тр ток нагрузки будет протекать через диоды VD1 и VD3, а при отрицательной полуволне— через диоды VD2 и VD4.
Рис. 3
Через нагрузку в любой полупериод протекает ток в одном направлении. При этом вторичной обмотке Тр ток будет переменным.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в ВИЭП обычно используются ФНЧ. Пульсации напряжения оцениваются по коэффициенту пульсаций, который представляет собой отношение амплитуды основной гармоники к постоянной составляющей Uн0. В ВИЭП, предназначенных для питания электронной аппаратуры, коэффициент пульсаций составляет 0,1—0,001%.
На практике используют также следующие типы фильтров (рис. 3): индуктивно-емкостной или Г-образный LC-фильтр (а), Г-образный RC-филътр (б), П-образный LC-фильтр (в), П-образный RС-фильтр (г).
Рис. 3
Обычно Г- и П-образные С-фильтры применяются только в маломощных схемах, так как они потребляют значительную долю энергии. На практике применяют и другие, более сложные фильтры.
Порядок выполнения работы.
1. Приступая к выполнению данной лабораторной работы необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH. После запуска она будет выглядеть следующим образом:
2. Для работы необходимо собрать схему исследования. Выбор нужного компонента схемы производится из поля компонентов. Нужное поле компонентов выбирается нажатием левой кнопки мыши на одной из пиктограмм панели компонентов. При этом в поле компонентов появляются изображения соответствующих компонентов. После выбора поля компонентов нужный компонент при помощи мыши перемещается на рабочее поле.
3. Чтобы схема начала функционировать, необходимо нажать кнопку в верхнем правом углу.
4. Двойным щелчком мыши по уменьшенному изображению осциллографа открывается изображение передней панели простой модели осциллографа с кнопками управления, информационными полями и экраном. Нажатие клавиши ZOOMна панели простой модели открывает окно расширенной модели осциллографа. На экране осциллографа расположены два курсора, обозначаемые 1 и 2, при помощи которых можно измерить мгновенные значения напряжения в любой точке осциллограммы. Для этого нужно перетащить мышью курсоры за треугольники в их верхней части в требуемое положение. Координаты точек пересечения первого курсора с осциллограммой отображаются на левом табло, координаты второго курсора – на среднем. На правом табло отображаются значения разностей между соответствующими координатами.
ЗАДАНИЯ
ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ
Вариант 1.
Соберите и включите схему однополупериодного выпрямителя без фильтра с помощью программы EWB.
На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В – входной. Зарисуйте осциллограммы. Измерьте и запишите максимальные входные и выходные напряжения.
Сравнить форму входного и выходного напряжения для однополупериодного выпрямителя.
Вариант 2.
Соберите и включите схему двухполупериодного выпрямителя без фильтра с помощью программы EWB.
На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В – входной. Зарисуйте осциллограммы. Измерьте и запишите максимальные входные и выходные напряжения.
Сравнить форму входного и выходного напряжения для двухполупериодного выпрямителя.
Вариант 3.
Соберите и включите схему мостового выпрямителя без фильтра с помощью программы EWB.
На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В – входной. Зарисуйте осциллограммы. Измерьте и запишите максимальные входные и выходные напряжения.
Сравнить форму входного и выходного напряжения для мостового выпрямителя.
Вариант 4.
Соберите и включите схему однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром с помощью программы EWB.
На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В – входной. Зарисуйте осциллограммы. Измерьте и запишите максимальные входные и выходные напряжения.
Сравнить форму входного и выходного напряжения для однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром.
Вариант 5.
Соберите и включите схему двухполупериодного выпрямителя с Г-образным LC- фильтром с помощью программы EWB.
На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В – входной. Зарисуйте осциллограммы. Измерьте и запишите максимальные входные и выходные напряжения.
Сравнить форму входного и выходного напряжения для двухполупериодного выпрямителя с Г-образным LC- фильтром.
Вариант 6.
Соберите и включите схему мостового выпрямителя с Г-образным RC- фильтром с помощью программы EWB.
На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В – входной. Зарисуйте осциллограммы. Измерьте и запишите максимальные входные и выходные напряжения.
Сравнить форму входного и выходного напряжения для мостового выпрямителя с Г-образным RC- фильтром.
в верхнем правом углу.