Полупроводниковый выпрямитель

6.4.1 Ознакомиться с устройством стенда "Маломощный блок питания" и правилами работы с электронно-лучевым осциллографом С1-72.

Технические данные стенда.

1) Стенд, внешний которого показан на рисунках 6.1 и 6.2, позволяет исследовать свойства типичных однофазных выпрямителей со сглаживающими пассивными фильтрами (сменные панели см. на рисунке 6.3).

Рис. 6.1. Внешний вид испытательного стенда

Рис. 6.2. Стенд с установленными панелями выпрямителя и фильтра

Рис. 6.3. Сменные панели однофазных выпрямителей и

пассивных фильтров для стенда

2) Контрольно-измерительные приборы стенда позволяют измерять действующие напряжения до диодной части выпрямителя, непосредственно после нее, напряжение после сглаживающего фильтра и выпрямленный ток. Для осуществления визуального контроля формы напряжения на различных элементах исследуемой схемы с помощью электронно-лучевого осциллографа (рис. 6.4) имеется панель с гнездами выводов контрольных точек.

Рис. 6.4. Передняя панель осциллографа С1-72

6.4.2 Исследовать работу однополупериодного выпрямительного устройства без элементов фильтрации (опыт № 1).

Данный этап исследования выполняется в следующей последовательности:

1) установить в левый разъем панель однополупериодного выпрямителя (рис. 6.3 а). Тумблером В3 подключить диод Д1, тумблером В8 отключить (поз. 2) цепь реостата нагрузки R_Н, а тумблер В4 установить в нейтральную позицию;

2) для схемы (рис. 6.5) измерить вольтметрами напряжение в контрольных точках 2, 7 и 10. Результаты записать в таблицу 6.1;

3) тумблером В8 подключить (поз. 3) цепь реостата нагрузки R_Н и для 4–6 значений тока нагрузки измерить вольтметрами напряжение в контрольных точках 2, 7, 10 и 11, а затем вычислить значения коэффициента пульсаций. Результаты записать в таблицу 6.1;

4) с помощью осциллографа получить осциллограммы напряжений в контрольных точках 2, 7, 10 и 11 и построить их для трех периодов (при частоте 50 Гц продолжительность одного периода равна 0,02 с). Режим синхронизации осциллографа установить от сети, измерения произвести дважды – при открытом и закрытом входе осциллографа PV;

5) по результатам опыта построить внешнюю характеристику выпрямителя и сделать выводы о качестве преобразования синусоидального напряжения в напряжение постоянного тока.

Рис. 6.5. Принципиальная схема эксперимента № 1

Таблица 6.1

Данные опыта № 1

Параметр
IН, мА
~U2, B
~U7, B
~U10, B
~U11, B
–U10, B
–U11, B

6.4.3 Исследовать влияние элементов RC-фильтра на качество выпрямленного напряжения (опыт № 2).

Данный этап исследования выполняется в следующей последовательности:

1) установить в левый разъем панель выпрямителя, указанного преподавателем (рис. 6.3 а-в), а в правый разъем панель пассивного RC-фильтра (рис. 6.3 г). Тумблером В8 отключить цепь реостата нагрузки R_Н, а тумблеры В4 и В6 установить в нейтральную позицию;

2) для исследуемой схемы выпрямителя (рис. 6.6, или 6.7, или 6.8) измерить вольтметрами напряжение в контрольных точках. Результаты записать в таблицу 6.2;

Рис. 6.6. Схема однополупериодного выпрямителя с RC-фильтром

Рис. 6.7. Схема выпрямителя со средней точкой с RC-фильтром

3) тумблером В8 подключить (поз. 3) цепь реостата нагрузки R_Н, для измерения параметров выпрямителя с С-фильтром (С1 или С2) и произвести замеры напряжений в контрольных точках для 3–4 значений тока нагрузки. Результаты записать в таблицу 6.2;

4) с помощью осциллографа получить осциллограммы напряжений в контрольных точках;

Рис. 6.8. Схема мостового выпрямителя с RC-фильтром

Таблица 6.2

Данные опыта № 2

Параметр

Замеры

IН, мА

Фильтр

C

RC

CRC

C

RC

CRC

C

RC

CRC

C

RC

CRC

~U2, B

~U7, B

~U10, B

~U11, B

–U10, B

–UФ, B

–U11, B

5) тумблером В8 подключить (поз. 1) цепь реостата нагрузки R_Н, для измерения параметров выпрямителя с RС-фильтром (С3 или С4) и произвести замеры напряжений в контрольных точках для 3–4 значений тока нагрузки. Результаты записать в таблицу 6.2;

6) с помощью осциллографа получить осциллограммы напряжений в контрольных точках;

7) тумблером В8 подключить (поз. 1) цепь реостата нагрузки R_Н, для измерения параметров выпрямителя с СRС-фильтром (С1 или С2 и С3 или С4) и произвести замеры напряжений в контрольных точках для 3–4 значений тока нагрузки. Результаты записать в таблицу 6.2;

8) с помощью осциллографа получить осциллограммы напряжений в контрольных точках;

9) для всех замеров опыта № 2 вычислить значения коэффициента пульсаций p.

6.4.4 Исследовать влияние типа пассивного фильтра на качество выпрямленного напряжения (опыт № 3).

Данный этап исследования выполняется в следующей последовательности:

1) установить в левый разъем панель выпрямителя, указанного преподавателем (рис. 6.3 а-в), а в правый разъем панель пассивного RC-фильтра (рис. 6.3 г). Тумблером В8 подключить цепь реостата нагрузки R_Н (поз. 1), а тумблерами В4 и В6 конденсаторы (С1 или С2 и С3 или С4);

Таблица 6.3

Данные опыта № 3

Параметр

Замеры

IН, мА

Фильтр

CRC

CLC

CLCp

CRC

CLC

CLCp

CRC

CLC

CLCp

CRC

CLC

CLCp

~U2, B

~U7, B

~U10, B

~U11, B

–U10, B

–UФ, B

–U11, B

2) произвести замеры напряжений в контрольных точках для 3–4 значений тока нагрузки. Результаты записать в таблицу 6.3;

3) с помощью осциллографа получить осциллограммы напряжений в контрольных точках;

4) установить в правый разъем панель пассивного LC-фильтра (рис. 6.3 д), тумблером В8 подключить цепь реостата нагрузки R_Н (поз. 1), а тумблерами В4 и В6 конденсаторы (С1 или С2 и С3 или С4);

5) произвести замеры напряжений в контрольных точках для 3–4 значений тока нагрузки. Результаты записать в таблицу 6.3;

6) с помощью осциллографа получить осциллограммы напряжений в контрольных точках;

7) установить в правый разъем панель пассивного LC-фильтра с параллельным резонансом (рис. 6.3 е). Тумблером В8 подключить цепь реостата нагрузки R_Н (поз. 1), а тумблерами В4 и В6 конденсаторы (С1 или С2 и С3 или С4);

8) произвести замеры напряжений в контрольных точках для 3–4 значений тока нагрузки. Результаты записать в таблицу 6.3;

9) с помощью осциллографа получить осциллограммы напряжений в контрольных точках;

10) для всех замеров опыта № 3 вычислить значения коэффициента пульсаций p;

11) по результатам всех опытов написать выводы о влиянии типов выпрямителей и типов пассивных фильтров на качество преобразования синусоидального напряжения в выпрямленное с учетом влияния тока нагрузки.

6.5 Сводка основных формул (методики расчета)

Выпрямители являются вторичными источниками электропитания и служат для питания, как самостоятельных приборов, так и отдельных цепей электронной аппаратуры. По роду тока на входе они подразделяются на однофазные и трехфазные. Для электронной аппаратуры используются однофазные выпрямители, а для питания промышленных двигателей и электронагревателей, как правило, используют трехфазные.

Однофазные выпрямители бывают трех типов: однополупериодный (рис. 6.3 а), двухполупериодный с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 6.3 б) и двухполупериодный мостовой (рис. 6.3 в).

Основные параметры выпрямителей:

- средние значения выпрямленных тока и напряжения I_н.ср и U_н.ср;

- мощность нагрузочного устройства Р_н.ср = U_н.ср·I_н.ср;

- амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения U_осн.m;

- действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора I₁, U₁и I₂, U₂;

- средние значения пульсаций тока и напряжения I_п.ср и U_п.ср;

- коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

;

- коэффициент полезного действия η = Р_н.ср/Р₁.

Временные диаграммынапряжений и токов выпрямителей (рис. 6.9), которые легко получить с помощью осциллографа (рис. 6.4), дают наглядное представление об основных особенностях их работы.

а) б)

Рис. 6.9. Временные диаграммы работы однофазных

однополупериодных (а) двухполупериодных (б) выпрямителей

без сглаживающих фильтров

Основные параметры однополупериодного выпрямителя рассчитываются по следующим формулам:

– среднее значение выпрямленного напряжения

или

– среднее значение выпрямленного тока

– разложение в ряд Фурье выходного напряжения выпрямителя;

– коэффициент пульсаций (для первой гармоники)

Основные параметры двухполупериодного выпрямителя рассчитываются по следующим формулам:

– среднее значение выпрямленного напряжения

– среднее значение выпрямленного тока

;

– разложение в ряд Фурье выходного напряжения выпрямителя

– коэффициент пульсаций (для первой гармоники)

.

Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Основными типами пассивных фильтров являются емкостные, индуктивные, Г-образные LC- и RC-фильтры и П-образные CLC- и CRC-фильтры (рис. 6.3 г-е). На рисунке 6.10 показаны временные диаграммы напряжений и токов для емкостного фильтра при однополупериодном (а) и двухполупериодном (в) выпрямлении и индуктивного фильтра при однополупериодном (б) выпрямлении.

Рис. 6.10. Временные диаграммы емкостного фильтра

Наилучшие результаты сглаживания пульсаций достигаются при применении П-образных фильтров, особенно CLC-фильтра с последовательным резонансом (рис. 6.3 е). Для фильтра с последовательным резонансом должно выполняться следующее условие:

Коэффициенты пульсаций определяются по формулам:

– для емкостного фильтра

;

– для индуктивного фильтра

;

– для Г-образного RC-фильтра коэффициент сглаживания

;

– для П-образного фильтра

.

Внешние характеристики выпрямителей характеризуют зависимость напряжения на нагрузочном устройстве от тока в нем:

U_Н = f(I_Н).

Наличие такой зависимости обусловлено тем, что в реальном выпрямителе сопротивление диодов, обмоток трансформатора, соединительных проводов, последовательных элементов сглаживающего фильтра (R_Ф и L_Ф) имеют некоторые конечные значения. На этих сопротивлениях от выпрямленного тока I_Н создается падение напряжения, приводящее к уменьшению напряжения U_Н.

В выпрямителе без фильтра напряжение U_Н и нагрузочный ток связаны между собой соотношением

U_Н = U_Н.K – (R_тр + R_д + R_пр)I_Н,

где U_Н.K – напряжение на нагрузочном устройстве при I_Н = 0; R_тр, R_д и R_пр. – соответственно сопротивления вторичной обмотки трансформатора, диодов выпрямителя, проводов подключения выхода выпрямителя ко входу нагрузочного устройства.

На рисунке 6.11 приведены графики внешних характеристик для трех различных схем выпрямителей.

Рис. 6.11. Внешние характеристики типичных схем выпрямителей

Кривые внешних характеристик берут свое начало из точки на оси ординат, соответствующей напряжению

.

Это объясняется тем, что при отсутствии тока I_Н нагрузки конденсаторы сглаживающего фильтра заряжаются до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора.

При увеличении тока нагрузки происходит снижение выпрямленного напряжения на нагрузочном устройстве тем существеннее, чем больше суммарное сопротивление

R_{В. Σ} = R_тр + R_д +(R_ф или L_ф) + R_пр,

где R_ф – сопротивление RC-фильтра, L_ф – сопротивление LC-фильтра.

В частности, снижение напряжения минимально при использовании С–фильтра (кривая 1), а максимально при RC-фильтре (кривая 3). При использовании LC- или СLC-фильтра падение выпрямленного напряжения (кривая 2) при одном и том же токе нагрузки заметно меньше чем при RC- или СRC-фильтре.