|
|
Электромагнетизм. Руководство по выполнению лабораторной работы фэл7 изучение полупроводниковых выпрямителей
НПО УЧЕБНОЙ ТЕХНИКИ «ТУЛАНАУЧПРИБОР»
МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
ФЭЛ-7
ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Тула, 2008 г
Лабораторная работа
ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Цель работы: изучение устройства, принципа действия и режимов работы однофазных выпрямителей и сглаживающих фильтров.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ
Общие сведения
Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии источника переменного тока в электрическую энергию, потребляемую приемником постоянного тока. Такое преобразование необходимо в том случае, когда первичным источником электроэнергии является однофазная (трехфазная) сеть или автономный генератор переменного тока, а потребитель электроэнергии работает на постоянном токе.
Для потребителей постоянного тока мощностью до нескольких сотен ватт используют однофазные выпрямители, подключаемые к однофазной сети переменного тока. Однофазные выпрямители, как правило, входят в состав источников вторичного электропитания (ИВЭ) радио- и телевизионных, измерительных, вычислительных электронных устройств, применяют для питания электродвигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей и др.
Для потребителей постоянного тока мощностью более 1 кВт используют трехфазные выпрямители, подключаемые к промышленной трехфазной сети.
С
труктурная схема традиционного однофазного источника питания постоянного тока представлена на рис.1.
Основным и обязательным элементом схемы является выпрямитель (В) на полупроводниковых вентилях. Принцип действия любого выпрямителя основан на односторонней проводимости вентилей, преобразующих переменный ток в пульсирующий ток постоянного направления. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения после выпрямителя может быть включен сглаживающий фильтр (Ф), а при необходимости постоянства величины напряжения Uн на нагрузке - стабилизатор напряжения (Ст). Выпрямитель подключается к питающей сети переменного тока через трансформатор (Т) в случае, если требуется преобразование уровня напряжения питающей сети Uс к необходимому уровню напряжения нагрузки Uн, а также для электрического разделения цепей.
О сновными недостатками выпрямителей с трансформаторным входом являются большие габариты, масса трансформатора и сглаживающего фильтра. В малогабаритных ИВЭ электронной аппаратуры применяют схемы с бестрансформаторным входом, работа которых основана на многократном преобразовании электрической энергии. В таких схемах выпрямитель подключен непосредственно к питающей сети, а согласование уровней напряжений сети и нагрузки производится трансформатором на повышенной промежуточной частоте переменного тока, что позволяет значительно уменьшить габариты и массу трансформатора и фильтра.
В данной работе рассматриваются два вида неуправляемых однофазных выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодный мостовой. В неуправляемых выпрямителях нет возможности регулировать величину выпрямленного напряжения, потому что они выполняются на неуправляемых вентилях - полупроводниковых диодах. При анализе работы выпрямителей будем считать вентили и трансформатор идеальными, т.е. сопротивление диодов при прямом включении равно нулю, при обратном включении - бесконечности; для трансформатора пренебрегаем сопротивлением рассеяния и активным сопротивлением обмоток.
Однополупериодный выпрямитель.
О днофазный однополупериодныйвыпрямитель содержит один вентиль VD, включенный в цепь вторичной обмотки трансформатора Т последовательно с нагрузкой Rн (рис.2,а). Временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу выпрямителя на активную нагрузку без фильтра, представлены на рис.2,б. В первый полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора u2= , когда оно положительно, диод VD открыт, т.к. на его аноде действует положительный потенциал. На этом интервале времени (0 - T/2) через нагрузку будет протекать ток  , являющийся для диода прямым током. При этом uв=0, uн=u2= . На втором полупериоде напряжение u2 становится отрицательным, и диод закрывается под действием отрицательного потенциала на аноде диода. На этом интервале времени (T/2 - T) iн=0, uн=0, напряжение на вентиле (диоде) uв=u2= будет являться обратным напряжением диода.
В
Рис.3
результате такой работы вентиля ток через нагрузку будет протекать в течение только одного полупериода переменного напряжения u2 и вызывать на нагрузке периодическое напряжение uн, среднее значение которого может быть определено по теореме о среднем значении функции на отрезке (рис.3):
 (1)
Таким образом, для формы напряжения на нагрузки однополупериодного выпрямителя рис. 2 получаем среднее значение (или, как иногда его называют - постоянная составляющая) за период T:
 (2)
При выводе формулы (2) мы учли, что ток через нагрузку течет только в отрезок времени  .
Действующим (эффективным, среднеквадратичным) значением тока (напряжения) называют величину, численно равную такому значению постоянного тока, который за время одного периода произведет тот же самый тепловой или электродинамический эффект, что и периодический ток:
 (3)
 
П
Рис.4
оясним запись формулы (3). Пусть резистор R подключен к источнику постоянного напряжения, например батареи E (рис. 4). В течение времени T, равное периоду переменного напряжения в нем выделится количество теплоты равное:
 (4)
Подключим теперь этот резистор в цепь переменного тока. Количество теплоты, выделенное переменным током за время dt равно dQ:
а за период T:
 (5)
Приравнивая (5) и (4) получим:
При однополупериодном выпрямлении используя (3) найдем:
 (6)
Аналогично для действующего значения напряжения получим:
 (7)
Средний ток через вентиль Iпр равен среднему току нагрузки Iпр=Iн.
Максимальное напряжение на закрытом вентиле
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора
Пульсации выпрямленного напряжения оцениваются коэффициентом пульсации, который представляет собой отношение амплитуды первой (основной) гармоники U(1)2m , как наибольшей из всех остальных к среднему значению напряжения Uсри определяется по формуле:
 (8)
Для получения значения коэффициента пульсации воспользуемся преобразованием Фурье для периодических функций с произвольным периодом. Согласно математической теории вещественная форма ряда Фурье для функции с произвольным периодом T=2l записывается как:
 (9)
где коэффициенты a0, an, bn равны:
 (10)
Разложим сигнал на нагрузке однополупериодного выпрямителя (рис. 2) в ряд Фурье. Будем считать, что период сигнала равен T=2π (в дальнейшем это не повлияет на ход рассуждений) и примем  . Тогда математически функцию сигнала с выхода однополупериодного выпрямителя можно представить в виде (рис. 5):
 (11)
Ф
Рис.5
ункция периодическая с периодом  . (f(x+T)=f(x)) Функция имеет на промежутке  конечное число точек разрыва первого рода.
Сумма ряда в точках функции сходится к значению самой функции, а в точках разрыва к величине  , где  -точки разрыва. Производная также непрерывна везде, кроме конечного числа точек разрыва первого рода. Вывод: функция удовлетворяет условию разложения в ряд Фурье. Согласно (9) и (10) запишем:
 . (11)
Из разложения видим, что при n нечетном  принимает значения равные 0 , и дополнительно надо рассмотреть случай когда n=1.
Поэтому формулу для можно записать в виде:
( так как  ).
Отдельно рассмотрим случай когда n=1:
 .
Подставим найденные коэффициенты в получим (9) с учетом T=2π=2l:
 (12)
и вообще
 . (13)
Таким образом, обобщая (12) на случай произвольного периода и амплитуды U2m, выпрямленное пульсирующее напряжение u2 на нагрузке может быть представлено рядом Фурье как периодическая функция времени
 , (14)
а ток в нагрузке
 , (15)
где U0= ; I0 = Im/= 0,318Im постоянная составляющая выпрямленного тока; I(i)m амплитудное значение i-ой гармоники тока нагрузки.
А коэффициент пульсации согласно (8) определяется как:
 (16)
Недостатками однополупериодного выпрямителя являются большой уровень пульсаций выпрямленного напряжения, вынужденное намагничивание сердечника трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки, плохое использование трансформатора, низкие коэффициенты использования вентилей (KI=Iв.max/Iн=, KU=Uобр.max/Uн=), малый КПД выпрямителя =0,481.
О
Двухполупериодная мостовая схема.
днополупериодную схему применяют обычно в маломощных выпрямителях и в тех случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения - для питания маломощных усилителей, электронно-лучевых трубок и в высоковольтных установках для испытания изоляции.
О
Рис. 6
днофазный двухполупериодный мостовойвыпрямитель состоит из четырех вентилей, включенных по мостовой схеме (рис.6). К одной диагонали моста подано переменное напряжение u2= , к другой - подключена нагрузкаRн. Временные диаграммы напряжений и токов представлены на рис.4.3,б. В первый полупериод напряжения u2,когда потенциал на аноде VD1 положительный, диоды VD1 и VD3 открыты, и ток нагрузки протекает через VD1, Rн и VD3. В этом интервале времени uн=u2, диоды VD2 и VD4 закрыты и находятся под обратным напряжением. На втором полупериоде напряжение u2 становится отрицательным, и диоды VD1 иVD3 будут теперь в закрытом состоянии находиться под обратным напряжением, а диоды VD2 и VD4 - открыты. Ток iн будет протекать через VD2, VD4 и через нагрузкуRн в том же направлении, что и в предыдущий полупериод.
В результате такой попарной работы диодов ток в нагрузке будет протекать в течение двух полупериодов и вызывать напряжение uн, среднее значение которого будет в два раза больше, чем при однополупериодном выпрямлении (см. формулы (1) и (2))
 ;  ; (16-1)
  .
Так как пары диодов проводят ток нагрузки поочередно по полпериода, то прямой ток вентилей будет равен Iпр=0,5Iн.
Максимальное напряжение на закрытых вентилях 
Коэффициент пульсации определяется аналогично однополупериодной схеме, с той лишь разницей, что следует учитывать прохождение тока в интервалы времени  .
Тогда получим:
Ток нагрузки  . (17)
Напряжение на нагрузки пропорционально току:
 (18)
Из выражения (17) видно, что ток iн не содержит нечетных гармоник, что облегчает задачу фильтрации выпрямленного напряжения.
Коэффициент пульсации для этой схемы определяется по формуле (8):
 (20)
Двухполупериодный выпрямитель в сравнении с однополупериодным имеет следующие преимущества: выпрямленные ток и напряжение вдвое больше, значительно меньший уровень пульсаций uн, вентили выбираются по половине тока нагрузки, хорошо используется трансформатор и отсутствует вынужденное подмагничивание его сердечника. Мостовая схема имеет преобладающее применение в выпрямителях небольшой и средней мощности.
Применение сглаживающих фильтров. Работа выпрямителя на резистивно-емкостную нагрузку
Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры. Основными элементами пассивных фильтров являются реактивные элементы: конденсаторы и дроссели. На базе транзисторов и операционных усилителей выполняются более сложные активные фильтры. Эффективность фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра
 .
Емкостной фильтр состоит из конденсатора, подключаемого параллельно нагрузке, при этом напряжение uн=uC определяется процессами заряда и разряда конденсатора. В однополупериодном выпрямителе конденсатор Cф будет заряжаться через вентиль, если u2>uC (интервал времениt1 – t2 на рис. 7). Когда u2<uC (t2 – t3), вентиль закрыт, и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки Rн с постоянной времени р=CфRн; при этом  .
Д остоинством емкостного фильтра является простота, повышенное напряжение на нагрузке и хорошее сглаживание при малых выходных токах. С увеличением тока нагрузки при уменьшении Rн уменьшается постоянная разряда конденсатора и возрастает коэффициент пульсаций на нагрузке. Емкостной фильтр целесообразно использовать при высокоомной нагрузке с малым значением выпрямленного тока. Коэффициент сглаживания тем выше, чем больше емкость конденсатора. При большой емкости конденсатора, когда выполняется условие =RC>>2/, амплитуда пульсаций Uп и кп могут быть определены по как:
  . (21)
Индуктивный фильтр состоит из индуктивной катушки (дросселя), включаемой последовательно с нагрузкой. Дроссель с индуктивностью Lф не оказывает сопротивления постоянной составляющей тока нагрузки, но подавляет переменные составляющие тока, для которых реактивное сопротивление катушки возрастает с увеличением частоты высших гармоник. Недостатками индуктивных фильтров являются большие габариты и масса дросселя, поэтому применяются такие фильтры преимущественно в трехфазных выпрямителях большой и средней мощности при низкоомной нагрузке с большими значениями токов.
Для более эффективного сглаживания применяют составные или многозвенные фильтры, коэффициент сглаживания которых равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев  . К составным фильтрам можно отнести Г- и П-образные LC и RC-фильтры.
Р
ассмотрим более подробно режим работы выпрямителя на резистивно-емкостную нагрузку. Этот режим работы является наиболее распространенным в маломощных выпрямителях. В этом режиме, как было сказано ранее, параллельно сопротивлению нагрузки подключается конденсатор (рис. 8, 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-емкостной нагрузкой в установившемся режиме приведены на рис. 8, б.
Е
Рис. 8
сли 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. U2m. 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) = U2m sin(ωt3) exp [–(t– t3)/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.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Приборы и оборудование.
а
б
c
ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
МОСТОВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
Рис. 9. Принципиальная схема для изучения однополупериодного выпрямителя а); двухполупериодного мостового выпрямителя б); и внешний вид сверху учебного модуля ФЭЛ-7 с контрольными точками и переключателями с).
Изучение основных типов полупроводниковых выпрямителей производится на учебной установке ФЭЛ-7, принципиальная схема которой приведена на рис. 9. Сетевое напряжение подается через понижающий трансформатор на изучаемую схему однополупериодного выпрямителя в случае а) и двуполупериодного мостового выпрямителя б). Две схемы являются эквивалентными и включены и работают совместно. На боковых панелях установки выведены контрольные точки КТ1-КТ-3. Сигнал с вторичной обмотки трансформатора подается на контрольную точку КТ-1. Контрольная точка КТ-2 служит для наблюдения сигнала на нагрузке после диода (схема рис.9 а) либо диодного моста (схема рис. 9б). Точка КТ-3 служит для наблюдения сигнала с выхода сглаживающего фильтра. Переключатель S1 служит для коммутации сглаживающего конденсатора С1; переключатель S2 коммутирует в схему переменную нагрузку R1 (для исследования сигнала до фильтра) либо R2 (для наблюдения сигнала после сглаживающего фильтра). Сдвоенный переключатель S3 включает и отключает сглаживающий фильтр.
Порядок выполнения
Ознакомится с принципиальными схемами для изучения работы полупроводниковых выпрямителей на рис. 9. Разобраться с расположением и назначением ручек на панели учебного модуля.
Перед включением установки в сеть проверить целостность сетевых проводов и соединительного провода.
Включить установку и осциллограф в сеть 220 В, нажать кнопку «СЕТЬ» на панелях учебного модуля и осциллографа, при этом должен загореться сигнальный светодиод «СЕТЬ». Дать прогреться в течение 2-3 минут.
Приступить к изучению однополупериодного выпрямителя (лицевая левая часть учебной установки). Поставить ручки в исходное положение: конденсатор С1 (переключатель SA1) – выкл.; резистор R1-R2 (переключатель SA2) – в положение R1; сглаживающий фильтр (переключатель SA3) – выкл.
Подготовить осциллограф к наблюдению сигналов. Для этого перевести осциллограф в режим синхронизации от сети – переключатель «INT. LINE EXT» слева от входа Х осциллографа в положение «LINE». Ручки плавной регулировки «VOLT VAR» и «TIME VAR» повернуть до упора по часовой стрелке – только в таком положении показания ручек «VOLTS/DIV» и «TIME/DIV» соответствуют надписям у этих ручек (положение данных переключателей 5 V и 5 mS соответственно). Ручку «AUTO NORM TV» (режим развертки) поставить в положение «AUTO». Переключатель «+ - x-EXT» в положение «+» или «-». Ручку «DC ╩ AC» поставить в положение «DC» для измерения сигнала с учетом постоянной составляющий, либо в «AC» для наблюдения только формы переменного сигнала.
П одключить электронный осциллограф соединительным кабелем к контрольной точке КТ-1 и наблюдать вид сигнала сетевого напряжения с выхода вторичной обмотки трансформатора. Вращением ручек «POSITION» оси Y и Х установить картинку в центральную часть экрана симметрично относительно центра.
С
Рис. 10. К определению основных характеристик сигнала
 рисовать полученную кривую (форма сигнала от сети практически совпадает с синусоидой) на миллиметровую бумагу по клеткам. Из полученного графика определить период T, частоту ν и круговую частоту  сигнала. Измерить по графику амплитуду сигнала U2m.
Подключить измерительный провод осциллографа к контрольной точке КТ-2 и, установив резистор R1 в среднее положение, наблюдать форму напряжения на нагрузки с выхода однополупериодного выпрямителя. Срисовать полученный пульсирующий сигнал с экрана осциллографа по клеткам на миллиметровую бумагу, графически определить период сигнала T, частоту ν и круговую частоту . Измерить по графику амплитуду сигнала U2m.
По формуле (2) определить среднее значение (постоянную составляющую U0 напряжения на нагрузке, по формуле (7) оценить действующее значение напряжения  . Рассчитать амплитуду первой гармоники  (см. формулы (14), (15)) и коэффициент пульсации Kп по формуле (8).
Подключить в схему сглаживающий конденсатор С1. Зарисовать форму напряжения на нагрузке по клеткам на миллиметровую бумагу.
В
Рис. 11. К определению амплитуды пульсации.
ращая переменный резистор R1 по часовой стрелке в сторону увеличения нагрузки (т. е. уменьшения сопротивления) и против часовой стрелке в сторону уменьшения нагрузки (увеличения сопротивления) наблюдать за изменением формы сигнала и пульсациями. Срисовать ВАХ для двух крайних положений резистора R1. Для этих двух крайних положений R1 графически определить амплитуду пульсаций напряжения Uп на нагрузке как разность между максимальным и минимальным значением напряжения u.
Переключить цепь для исследования сглаживающего фильтра, поставив переключатель резистор R1-R2 (переключатель SA2) – в положение R2 (резистор R1 при этом отключается), сглаживающий фильтр (переключатель SA3) – в положение вкл.
Повторить действия п.11 (вращать R2), наблюдая за изменениями формы сигнала при вращении резистора R2.
Приступить к исследованию двуполупериодного мостового выпрямителя. Проверить исходное положение переключателей на правой лицевой стороне лабораторного модуля: конденсатор С1 (переключатель SA1) – выкл.; резистор R1-R2 (переключатель SA2) – в положение R1; сглаживающий фильтр (переключатель SA3) – выкл.
Подключив измерительный провод осциллографа к точке КТ-1, наблюдать форму сигнала сетевого напряжения, далее установив резистор R2 в среднее положение и подключив измерительный щуп к контрольной точке КТ-2, наблюдать сигнал на нагрузке с выхода мостового выпрямителя и повторить расчеты пп 7-8. По формулам (16-1) рассчитать постоянную составляющую Uср и действующее значение напряжения на нагрузке.
Рассчитать амплитуду первой гармоники  (см. формулы (17, (18) и коэффициент пульсации Kп по формуле (8).
Проделать действия, полностью аналогичные действиям пп. 10, 11, 12, 13 - подключить сглаживающий конденсатор C1, изменять нагрузку R1 для изучения влияния сглаживающего конденсатора, переключиться на режим исследования фильтра и включить R2, для изучения влияния нагрузки на работу фильтра изменять нагрузку R2.
По окончании работы выключить осциллограф и учебную установку от сети, вынув сетевые вилки из розетки и поставив переключатель «СЕТЬ» в положение «выкл».
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Объясните принцип действие выпрямителей.
2. Какие существуют схемы выпрямителей?
3. Пояснить работу сглаживающего фильтра в вентиле.
4. Почему уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения при включении емкостного или индуктивного фильтра?
5. Достоинства и недостатки разных типов фильтров.
5. Что такое коэффициент пульсаций и коэффициент сглаживания?
6. По каким критериям осуществляется выбор вентилей?
8. Как изменится форма напряжения на нагрузке при пробое одного вентиля в исследуемых выпрямителях?
9. Поясните работу схемы рис. 9 для изучения полупроводниковых выпрямителей.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Галкин В.И., Пелевин Е.В.
Промышленная электроника и микроэлектроника. – Минск, 2000.
Забродин Ю.С.
Промышленная электроника – М. Высшая школа, 1982
М., 1990.
Гелин Ф.Д. Крупицкий Э.И. Позняк И.П.
Материаловедение. - Минск, «Высшая школа», 1977.
Никулин Н.В.
Электроматериаловедение. – М., 1984.
Пасынков В.В., Сорокин В.С.
Материалы электронной техники. – М., 1986.
Савельев И. В. Курс общей физики : в 3 т. / И. В. Савельев. – М. : Наука, 1979. – Т. 3. 221 – 226 с.
Трофимова Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М. : Высш. шк., 1997. – 442 с.
Детлаф А. А. Курс физики / А. А. Детлаф, В. М. Яворский. – М. : Высш. шк., 2003. – 530 с.
Бордовский Г. А. Общая физика: в 2 т. / Г. А. Бордовский, Э. В. Бурсиан. – М. : Изд-во ВЛАДОС-Пресс, 2001. – Т. 2. 168 с.
ДЛЯ СВОБОДНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ,
НПО учебной техники «ТУЛАНАУЧПРИБОР» |
|
|
Скачать 0.74 Mb.