изучение диодных мостов. Углубленный уровень Исследование работы выпрямителя. Исследование однополупериодной и мостовой схем выпрямителей и сглаживающих фильтров.

• Название: Исследование однополупериодной и мостовой схем выпрямителей и сглаживающих фильтров.
• Анкор: изучение диодных мостов
• Дата: 08.10.2021
• Размер: 245.84 Kb.
• Имя файла: Углубленный уровень Исследование работы выпрямителя.docx
• Тип: Практическая работа; #243557

Практическая работа №16

Тема: «Исследование однополупериодной и мостовой схем выпрямителей и сглаживающих фильтров.»

Цель работы: ознакомиться со схемами выпрямителей и сглаживающих фильтров. Исследовать работу выпрямительного устройства с переменной нагрузкой.

Общие сведения

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-nпереходом и двумя выводами. По функциональному назначению диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы, туннельные, фотодиоды, светодиоды идр.

1. Схемы выпрямителей переменноготока

Основным элементом выпрямительного устройства является полупроводниковый диод – прибор, обладающий односторонней проводимостью. Для выпрямителей однофазного переменного тока наиболее широко используют два типа выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодный (мостовой).


Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис.3.1.
Рисунок 3.1 – Схема однополупериодного выпрямителя

Ток в нагрузочном резисторе R_н появляется только в те периоды времени (или те полупериоды напряжения U), когда потенциал точки «а» положителен по отношению к потенциалу точки «в», т.к. вэтомрежимевентильоткрыт.Когдажепотенциалточки«а»отрицателен по отношению к потенциалу точки «в» – вентиль закрыт, ток в нагрузке равен нулю. Таким образом, ток в резисторе имеет пульсирующий характер (рис.3.2).




Рисунок 3.2 – Временные диаграммы напряжений однополупериодного выпрямителя
Недостатком однополупериодного выпрямителя является высокий уровень пульсации. Этого недостатка несколько лишен двухполупериодный выпрямитель, в котором используются оба полупериода напряжения сети. Наиболее распространена схема мостового выпрямителя (рис.3.3). К одной из диагоналей моста VD1-VD4 под- ведено переменное напряжение от сети, к другой диагонали подключен нагрузочный резистор.

Рисунок 3.3 – Схема двухполупериодного мостового выпрямителя

В течение первого полупериода напряжение сети U, когда потенциал точки «а» положительный по отношению к потенциалу точки «в», диоды VD1 и VD3 открыты, и через нагрузку R_н протекает ток I_н. В это время диоды VD2, VD4 закрыты. В другой полупериод, когда потенциал точки «а» отрицателен диоды VD2, VD4 от- крыты, а диоды VD1, VD3 закрыты. Ток через нагрузочный резистор R_н имеет то же направление, что и в предыдущий полупериод напряжения сети (рис.3.4).



Рисунок 3.4 – Временные диаграммы напряжений мостового выпрямителя
Анализ временных диаграмм показывает, что схема мостового выпрямителя по сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя имеет то преимущество, что среднее напряжение U_н.ср (а следовательно, и ток) в два раза больше, а пульсации значительно меньше.

Сглаживающиефильтры

Как видно из диаграмм напряжений, выпрямленное напряжение на нагрузке имеет пульсирующий характер и является периодическим несинусоидальным напряжением. Оно может быть разложено в ряд на постоянную и гармоническую составляющие. Частота первой (основной) гармоники для однополупериодного выпрямителя равна частоте выпрямленного напряжения (для сети – 50 Гц), а для двухполупериодного выпрямителя – удвоенной частоте выпрямленного напряжения.

Амплитуда основной гармоники значительно превышает амплитуды других гармоник. Поэтому за коэффициент пульсации Рпринимают отношение амплитуды основной гармоники выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей



Для однополупериодных выпрямителей без фильтра Р= 1,5 для двухполупериодныхР =0,67.

Коэффициент пульсации напряжения, питающего электронные устройства должен составлять 10^-4…10^-7. Таким образом, напряжение, полученное непосредственно с выхода выпрямителя нельзя использовать в качестве питающего напряжения.

Для снижения пульсации до требуемой величины применяют сглаживающие фильтры. Простейшим сглаживающим фильтром является конденсатор. Существуют различные схемы сглаживающих фильтров с использованием активных сопротивлений и конденсаторов, так называемые Г- и П-образные фильтры.

Эффективность фильтров оценивается коэффициентом сглаживания q, равным отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра


Для однополупериодных выпрямителей без фильтра Р= 1,5 для двухполупериодныхР =0,67.

Коэффициент пульсации напряжения, питающего электронные устройства должен составлять 10^-4…10^-7. Таким образом, напряжение, полученное непосредственно с выхода выпрямителя нельзя ис- пользовать в качестве питающего напряжения.

Для снижения пульсации до требуемой величины применяют сглаживающие фильтры. Простейшим сглаживающим фильтром является конденсатор. Существуют различные схемы сглаживающих фильтров с использованием активных сопротивлений и конденсаторов, так называемые Г- и П-образные фильтры.

Эффективность фильтров оценивается коэффициентом сглаживания q, равным отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра



Емкость фильтра С_ф включается параллельно нагрузочному резистору R_н (рис.3.5). При таком включении конденсатор С_ф заряжается через диод VD, до амплитудного значения напряжения U_m (рис.3.6). Когда напряжение на вентиле начинает убывать конденсатор С_ф разряжается через нагрузку R_н.



Рисунок 3.5 – Схема включения емкостного фильтра
На рис.3.6 показаны упрощенные временные диаграммы напряжений выпрямителей с емкостным фильтром. Время t₁ соответствует начальному периоду, когда выпрямитель подключается к сети. Конденсатор к концу первой части периода заряжается до амплитудного значения U_m. Во время второй четверти и части третьей четверти (рис.3.6,б) и второй четверти и второго полупериода переменного напряжения (рис.3.6,б) конденсатор разряжается через нагрузку R_н, т.е. отдает часть запасенной электрической энергии в нагрузку (интервал t₂).




Рисунок 3.6 – Временные диаграммы напряжений выпрямителей с емкостным фильтром: а – однополупериодного; б – двухполупериодного

В конце временного интервала t₂ напряжение U_C= U_н несколько снижается: у однополупериодного больше, а у двухполупериодного – меньше. В период времени t₃ происходит процесс зарядки конденсатора С_ф т.к. диод в этот момент открывается, и электрическая энергия вновь подается на С_ф и R_н от сети.

Из рисунка видно, что при включении емкостного фильтра напряжение U_н не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения. Если сопротивление R_н уменьшить (т.е. увеличить I_н), то пульсации на нагрузке и С_ф увеличатся.

Обычно емкость С_ф выбирают такой величины, чтобы для основной гармоники выпрямленного напряжения сопротивление конденсатора было много меньше R_н, т.е.:


Существуют более сложные схемы фильтров для выпрямите- лей. Таким, например, является Г-образный RC-фильтр (рис.3.7). Этот фильтр обычно применяется, когда ток в нагрузке не превышает нескольких десятков миллиампер.

Существуют более сложные схемы фильтров для выпрямите- лей. Таким, например, является Г-образный RC-фильтр (рис.3.7). Этот фильтр обычно применяется, когда ток в нагрузке не превышает нескольких десятков миллиампер.

Рисунок 3.7 – Схема Г-образногоRC-фильтра

Схема Г-образного фильтра позволяет получить значительно меньшие пульсации напряжения на нагрузке, чем применение про-стейшего емкостного фильтра.

Порядок выполнения работы

Перечень приборов:

• 
  модуль для исследования выпрямительногоустройства;
  
• 
  комбинированный измерительный прибор – 2 шт;
  
• 
  генератор импульсов FG-32;
  
• 
  осциллографGOS-620.
  

1. Исследование схемы однополупериодноговыпрямителя

В программе TINA TI 9 собрать схему




Рисунок 3.8 – Схема для исследования однополупериодного выпрямителя

1. 
   При разомкнутых переключателях S1-S5 зарисовать изображение форм напряжения на экранеосциллографа.
   
2. 
   Включить S1 (емкостной фильтр С₁). Дополнить предыдущий рисунок кривой напряжения, проходящей по вершинам полуволн. Показания приборов занесите в таблицу3.1.
   
3. 
   Замкнуть S3 (нагрузка R₁). Дополнить предыдущий рисунок линией, изображающей пульсации напряжения на нагрузке (по аналогии с рис.3.6). Показания вольтметра и миллиамперметра зане- сите в таблицу 3.1. Повторить предыдущие операции при допол-нительном подключении S4 и S5 (т.е. при увеличении тока в нагрузке).
   

Таблица 3.1

Результаты исследования однополупериодного выпрямителя

	№ п.п.	1	2	3	4
С1	U, В
	I, мА
С1 + С2	U, В
	I, мА

4. 
   Параллельно конденсатору С₁ подключить С₂ (включить S2). Дополнить предыдущую осциллограмму кривыми пульсации при различных нагрузках. Данные измерения занести в таблицу3.1.
   

Таблица 3.2

Результаты исследования мостового выпрямителя

	№ п.п.	1	2	3	4
С1	U, В
	I, мА
С1 + С2	U, В
	I, мА

1. 
   Построить (на одном графике) внешние характеристикиоднопо-
   

лупериодного и мостовоговыпрямителей:U_н

По полученным осциллограммам определить во сколько раз величина пульсации напряжения на нагрузке (при включенном С₁) в мостовом выпрямителе меньше, чем воднополупериодном.
Контрольные вопросы:

1. 
   Какие элементы содержит выпрямительное устройство?
   
2. 
   Какова роль конденсатора, подключаемого параллельно сопротивлениюнагрузки?
   
3. 
   Изобразить процесс сглаживания пульсаций напряжения в одно-полупериодном выпрямителе с простейшим фильтром.
   
4. 
   Изобразить, что происходит на осциллограмме при увеличении нагрузки при включённом сглаживающем фильтре и без него.