с индуктивной реакцией

К режиму работы выпрямителей на нагрузку с индуктивной реакцией относят работу на фильтры с индуктивным входным сопротивлением, т. е. c L- или LC-фильтрами, применяемыми при средних и больших мощностях или в низковольтных выпрямителях с большим током нагрузки, причем для LC-фильтров выполняется условие |Xc| << Rн.

В простейшей схеме однофазного однотактного (однополупериодного) выпрямителя (рис. 3, а) форма импульса тока вторичной обмотки, совпадающего с током диода (i_v = i₂), определяется алгебраической суммой вынужденной i2в и свободной i2св составляющих, полученных в результате решения уравнения u₂ = Lфdi₂/dt +

+ Ri₂ , т. е. i₂ = i2в + i2св = I_m sin (ωt – – φ) + I_m sin φ exp (–t/τн) , где u₂ = = E_2msin ωt ; τн = Lф/R; Lф – индук-тивность дросселя фильтра; R = = Rн + rт + r_v ; rт, r_v – резистивные сопротивления обмоток трансформатора и открытого диода.

Временные диаграммы для рассматриваемой схемы, приведенные на рис. 3, б, показывают, что ток в цепи нагрузки плавно нарастает после открытия диода и более резко спадает в конце интервала проводимости ωt = λ. Характерная особенность этой схемы заключается в том, что при любых постоянных времени τн = Lф/R ток нагрузки iн остается прерывистым.

В режиме, близком к холостому ходу выпрямителя (R >> ωLф), влияние фильтра несущественно, импульс тока имеет форму полуволны синусоиды и, следовательно, постоянная составляющая напряжения на нагрузке равна U₀ = E_2m/π, что совпадает со случаем резистивной нагрузки. С увеличением постоянной времени τн интервал проводимости возрастает, а в выпрямленном напряжении появляется отрицательный выброс, снижающий постоянную составляющую напряжения на нагрузке.

Прерывистый характер выпрямленного тока, низкий коэффициент мощности χ =

= ν₁cos φ₁ и резко падающая внешняя характеристика являются существенными недостатками рассмотренной схемы, ограничивающими ее применение в радиоэлектронной аппаратуре.

На практике чаще используется модификация рассмотренной схемы, отличающаяся наличием “обратного” диода (рис. 4, а), шунтирующего цепь нагрузки при появлении на выходе выпрямителя напряжения обратной полярности (ωt > π) и обеспечивающего “запирание” основного диода VD1 (рис. 3, б, рис. 4, б). Введение “обратного” диода VD2 создает разрядный контур, по которому замыкается ток нагрузки во втором полупериоде (π < ωt < 2π), поддерживаемый за счет энергии, накопленной в магнитном поле индуктивности Lф в течение первого полупериода (0 < ωt < π). При этом ток в нагрузке iн уже не может стать равным нулю ни в какой момент периода, что приводит к сглаживанию пульсаций тока в нагрузке.

Следует обратить внимание на то, что в данной схеме пульсации тока iн уменьшаются с ростом τн = Lф/Rн, а постоянная составляющая тока I₀ остается неизменной. Коэффициент пульсаций выпрямленного тока в рассматриваемой схеме с “обратным” диодом определяется выражением kп_I ≈ π / (2ωτн), и при достаточно больших постоянных времени импульсы тока диодов i_v1 и i_v2 становятся почти прямоугольными.

В этой схеме сохраняются также существенные недостатки однофазной однотактной схемы - большое значение габаритной мощности трансформатора, низкий коэффициент мощности χ = ν₁cos φ₁ и вынужденное намагничивание магнитопровода трансформатора, что ограничивает ее применение.

От указанных недостатков свободна двухтактная (мостовая) схема выпрямителя (рис. 5, а). Временные диаграммы токов и напряжений в характерных точках этой схемы показаны на рис. 5, б. Значение индуктивности Lф в данном случае определяет только уровень пульсаций напряжения на нагрузке и не влияет на его постоянную составляющую и интервал проводимости диодов, что характерно для всех схем с m ≥ 2. Основные расчетные соотношения для рассматриваемой схемы приведены далее:

U₀ = 0,9U₂; U₂ = 1,1U₀ ; I₂ = I₀ ; kп = E_m1 /U₀ = 0,67 ;

P₁ = U₁I₁ = 1,1P₀; k₂ = P₂/P₀, k₁ = P₁/P₀ ;

P₂ = U₂I₂ = 1,1P₀; Pгаб = P₀(k₁ + k₂)/2 = 1,1P₀ .

Особенности работы выпрямителей

на резистивно-емкостную нагрузку

Режим работы на резистивно-емкостную нагрузку является наиболее распространенным в маломощных выпрямителях. В этом режиме параллельно сопротивлению нагрузки подключается конденсатор (рис. 6, а), что приводит к существенным изменениям форм тока диода и выпрямленного напряжения, а также энергетических соотношений.

Временные диаграммы токов и напряжений в однофазной однотактной схеме выпрямления с резистивно-емкост-ной нагрузкой (без учета ин­дуктивностей рассеяния трансфор­матора L_s) в установившемся режиме приведены на рис. 6, б. В этом слу­чае момент возникновения тока диода i_v будет сдвинут по отношению к началу положительной полуволны напряжения u₂ на угол φ₀ < π/2. Ток диода при φ₀ < ωt < ωt3 определится суммой токов конденсатора и нагрузки i_v(ωt) = ic + iн ≈ E_2m ´ ´ (ωτн cos ωt + sin ωt)/Rн, где τн = = RнC₁. Для обеспечения малого kп = E_mп / U₀ должно выполняться условие ωτн >> 1.

Если в первом приближении пренебречь падением напряжения на диоде, то можно принять, что к моменту перехода u₂ через максимум конденсатор C₁ оказывается заряженным до амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке, т. е. E_2m. Начиная с этого момента конденсатор C₁ будет разряжаться на сопротивление нагрузки Rн, а ток ic изменит направление на обратное. В некоторый момент времени, определяемый углом закрывания ωt3 = φ₀ + λ, ток через диод прекратится, а напряжение на нагрузке будет поддерживаться лишь разрядным током конденсатора:

uн (t) = uc(t) = E_2m sin(ω t3) exp [–(t– t3)/τн].

Угол закрывания диода определяется выражением ωt3 = arctg(–ωτн), показывающим, что значения этого угла будут изменяться от π при τн = 0 до π/2 при τн ® ∞. Поскольку для выполнения условия малости коэффициента пульсаций постоянная времени разряда τн = Rн C₁ >> 1/ω, диод останется закрытым к началу следующей положительной полуволны напряжения и откроется в установившемся режиме лишь при выполнении условия

u₂(ωt) = E_2m sin φ₀ ≈ E_2m еxp [– (0,75π + φ₀)/τн].

Увеличение емкости фильтра C1 (или постоянной τн = Rн C₁) приводит не только к уменьшению коэффициента пульсаций, но и к увеличению постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Уменьшение сопротивления нагрузки Rн приводит к уменьшению постоянной времени цепи разряда τн, поэтому внешняя характеристика выпрямителя с емкостной нагрузкой крутопадающая, что определяет высокое выходное сопротивление и ограничения при использовании переменной нагрузки.

При использовании П-образного фильтра, представляющего собой каскадное соединение емкостного и Г-образного фильтров, формы тока диода и напряжения на первой емкости фильтра близки к рассмотренным ранее.

Аналогичные процессы наблюдаются в двухтактной схеме выпрямителя, а также в других схемах выпрямления (m ≥ 1) с емкостной нагрузкой, при этом отличие заключается лишь в периодичности процессов заряда и разряда конденсатора. Внешние характеристики выпрямителя при использовании различных сглаживающих фильтров представлены на рис. 7.

Описание лабораторного макета

Лицевая панель макета содержит упрощенную принципиальную схему установки (рис. 8), органы управления, индикации и измерения. Лаборатоный макет помимо исследуемого выпрямителя содержит встроенный мультиметр для измерения тока первичной обмотки трансформатора I₁, тока вторичной обмотки трансформатора I₂, напряжения на вторичной обмотке трансформатора U₂, выпрямленного напряжения до сглаживающего фильтра U_В, напряжения на нагрузке U_Н и тока в цепи нагрузки I_Н. Выбор измеряемой величины и измеряемого параметра (амплитуда, действующее значение, постоянная составляющая) осуществляется соответствующими кнопками, расположенными снизу от дисплея. (Под амплитудой понимается половина размаха переменной составляющей измеряемого параметра).

Наличие двух выходов на внешний осциллограф позволяет одновременно наблюдать формы токов и напряжений в различных точках схемы:
i₁, u₂, i₂, i_VD1, i_VD3, u_VD1, u_В, i_C1, u_Н. Для исследования взаимосвязи сигналов во времени рекомендуется на один из каналов двухлучевого осциллографа постоянно подавать опорный сигнал (например, напряжение на вторичной обмотке трансформатора) и этим сигналом синхронизировать развертку осциллографа.

Программа выполнения работы

Ознакомиться со схемой лабораторного макета, с размещением органов управления макетом. Включить лабораторный макет и осциллограф.

1. Исследование однотактного выпрямителя (переключатели S1, S2 в положении “Выкл”).

1.1. При максимальном токе нагрузки зарисовать осциллограммы токов и напряжений при работе без фильтра, с емкостным фильтром, с индуктивным фильтром, с индуктивным фильтром и обратным диодом (в последнем случае включить S2).

Для наглядности осциллограммы удобно представить в виде таблицы.

1.2. Изменяя сопротивление нагрузки, снять внешнюю (нагрузочную) характеристику выпрямителя, т. е. зависимость постоянной составляющей напряжения на нагрузке от постоянной составляющей тока нагрузки U_Н = f(I_Н) при работе без фильтра, с индуктивным фильтром (при наличии и отсутствии обратного диода), с емкостным, Г-образным и П-образным фильтрами.

Все характеристики построить на одном графике в одном масштабе. Определить по характеристикам внутреннее сопротивление выпрямителя Rвых = –∆U_Н/∆I_Н для исследованных случаев.

2. Исследование двухтактного выпрямителя.

Переключатели S1, S2 установить в положение “Вкл”.

Провести исследования по программе, аналогичной пп. 1.1 и 1.2.

3. Исследование сглаживающих фильтров.

3.1. Для двухтактного выпрямителя снять зависимости коэффициента пульсаций напряжения на нагрузке от постоянной составляющей тока в цепи нагрузки при работе с емкостным и индуктивным фильтрами.

3.2. При максимальном токе нагрузки определить коэффициент сглаживания индуктивного, Г-образного и П-образного фильтров.

Содержание отчета

1. Принципиальная схема макета.

2. Таблицы экспериментальных данных и временные диаграммы. Графики экспериментальных зависимостей.

3. Краткие выводы.

Контрольные вопросы

1. Какими показателями характеризуется работа выпрямителя?

2. Классификация и характеристики основных схем выпрямления. Чем определяется фазность и тактность схем выпрямления?

3. Нарисуйте и объясните исследуемые схемы выпрямителей, а также временные диаграммы токов и напряжений в основных цепях при различных нагрузках: а) резистивной Rн; б) резистивно-индуктивной LфRн; в) резистив­но-емкостной RнC.

4. Как изменяются амплитуда и время протекания тока диода при подключении конденсатора к резистивной нагрузке?

5. Определите действующее значение тока через диод в однофазном двухтактном выпрямителе c индуктивной нагрузкой, если постоянная составляющая тока в нагрузке, например, 1A.

6. Объяснить ход внешних характеристик выпрямителя при различных сглаживающих фильтрах.

7. Нарисуйте графики зависимостей постоянной составляющей выпрямленного напряжения U₀ от индуктивности дросселя в цепи нагрузки (U₀ = f(Lф)), коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения kп = f(Lф) для: однофазной однотактной, однофазной однотактной с обратным диодом и однофазной двухтактной схем выпрямления.

8. Как изменится форма импульса тока диода: а) при изменении значений индуктивности Lф в цепи нагрузки; б) при изменении емкости C₁ фильтра для исследуемых схем выпрямителей?

9. Дать сравнительную оценку зависимости коэффициента сглаживания фильтров от тока нагрузки I₀ .

10. Что такое габаритная мощность трансформатора в выпрямителе и коэффициент мощности выпрямителя, как они зависит от схемы и от характера нагрузки выпрямителя? Почему величина Pгаб > P₀?

11. Что такое вынужденное намагничивание сердечника трансформатора и как оно влияет на характеристики выпрямителя? Каковы способы устранения вынужденного намагничивания?