200101_jeimpt_lr_2012

Рисунок 3.9 – Осциллограммы напряжения двухполупериодного выпрямителя

Максимальное входное напряжение (измерение), Um вх = ______ В. Максимальное выходное напряжение (измерение), Um вых = ____ В.

б) Определение периода и частоты выходного напряжения

Период выходного сигнала (измерение), T = _______ с. Частота выходного сигнала (расчет), f = _______ Гц.

в) Определение максимального обратного напряжения на диоде

Максимальное обратное напряжение на диоде

3.7 Вопросы для самопроверки

1.На какие группы условно делятся источники электропитания?

2.Какие источники электропитания относятся к первичным, а какие к вторичным?

3.Назовите блоки, входящие в состав средств вторичного электропитания, объясните их назначение.

4.Назовите основные характеристики ИВЭП.

5.В чем заключаются различия между нерегулируемыми, регулируемыми и стабилизированными ИВЭП?

6.Назовите блоки, входящие в выпрямитель и объясните их назна-

чение.

7.Объясните принцип действия выпрямителей, питаемых от однофазной сети.

8.В чем заключаются различия между входным и выходным сигналами однополупериодного выпрямителя?

9.Одинаковы ли вычисленное и измеренное мультиметром среднее значение выходного напряжения Ud?

10.Одинаковы ли частоты входного и выходного сигналов в схемах одно- и двухполупериодного выпрямителей?

11.Как влияет падение напряжения на диоде на выходное напряжение выпрямителя?

51

12.Превышает ли максимальное отрицательное напряжение Umax на диоде значение, предельно допустимое для диода 1N4001?

13.Каковы различия между сигналом на входе и на выходе при двухполупериодном выпрямлении?

14.Чем отличается выходное напряжение в схемах однополупериодного и двухполупериодных выпрямителей?

15.Сравните максимальное обратное напряжение на диодах в однополупериодном и двухполупериодном выпрямителях.

16.Одинаковы ли частоты входного и выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя? Как они соотносятся с частотами входного и выходного напряжения для однополупериодного выпрямителя?

Лабораторная работа № 4 Исследование мостового выпрямителя

4.1 Цель работы

1.Анализ процессов в схеме выпрямительного диодного моста.

2.Исследование осциллограмм входного и выходного напряжения для выпрямительного моста.

3.Сравнение осциллограмм выходного напряжения выпрямительного моста и двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора.

4.Измерение среднего значения выходного напряжения (постоянная составляющая) в схеме выпрямительного моста.

5.Сравнение максимального напряжения на диодах в мостовом и двухполупериодном выпрямителе.

6.Сравнение частот выходного напряжения в мостовом и двухполупериодном выпрямителе.

7.Вычисление максимального обратного напряжения Umax на диоде выпрямительного моста.

4.2 Приборы и элементы

52

Мультиметр – группа Instruments Осциллограф – группа Instruments

Источник переменного напряжения 120 В группа Sources

–

Трансформаторы – группа Basic Диоды 1N4001 – группа Diodes

Резисторы – группа Basic

4.3 Краткие сведения из теории

Для трансформаторов, используемых при проведении моделирования, коэффициент трансформации определяется выражением [7]

где W1 и W2 – соответственно число витков первичной и вторичной обмотки трансформатора. В частности, в схеме, приведенной на рис. 4.1, он определяется отношением КТР 20 :1, что указано на обозначении элемента.

Среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая) мостового выпрямителя (рис. 4.1) вычисляется по формуле [11, 12]:

где максимум напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2m вычисляется по формуле:

53

где U1m – максимальное значение напряжения на первичной обмотке трансформатора.

Максимальное обратное напряжение Umax на каждом диоде для схемы с выпрямительным мостом равно напряжению на вторичной об-

мотке U2m.

Частота выходного напряжения f для схемы с двухполупериодным мостовым выпрямителем вычисляется по формуле:

где Т – период напряжения на выходе выпрямителя.

Рисунок 4.1 – Схема для исследования мостового выпрямителя

4.4 Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Исследование входного и выходного напряжений мостового выпрямителя

а) Измерение входного и выходного напряжения

54

Создайте и включите схему (рис. 4.1). На вход «А» осциллографа подается входной сигнал, а на вход «В» – выходной. Зарисуйте осциллограммы в разделе «Содержание отчета» (рис. 4.2). Измерьте максимальные входное и выходное напряжения.

б) Определение периода и частоты выходного напряжения

Измерьте период Т по осциллограмме выходного напряжения и запишите результат в раздел «Содержание отчета». Зная период, вычислите частоту выходного сигнала.

в) Определение максимального обратного напряжения на диоде

Определите максимальное обратное напряжение Umax на диоде и запишите в раздел «Результаты экспериментов».

г) Вычисление коэффициента трансформации

Вычислите коэффициент трансформации как отношение амплитуд напряжений на первичной и вторичной обмотке трансформатора в режиме, близком к холостому ходу. Запишите результат в раздел «Содержание отчета».

д) Вычисление среднего значения выходного напряжения

Вычислите среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая). Результат запишите в раздел «Содержание отчета». Запишите значение постоянной составляющей напряжения на выходе, по результатам измерения мультиметром.

4.5 Содержание отчета

Эксперимент 1. Исследование входного и выходного напряжения мостового выпрямителя

а) Измерение входного и выходного напряжения

55

Рисунок 4.2 – Осциллограммы напряжения мостового выпрямителя

Максимальное входное напряжение (измерение), Um вх = ______ В. Максимальное выходное напряжение (измерение), Um вых = ____ В.

б) Определение периода и частоты выходного напряжения

4.6 Вопросы для самопроверки

1.По осциллограммам выходного напряжения определите, осуществляет ли выпрямительный мост однополупериодное или двухполупериодное выпрямление?

2.Как различаются переменные составляющие напряжений на входе и выходе выпрямительного моста?

3.Чем отличаются выходные напряжения в схемах с выпрямительным мостом и двухполупериодным выпрямителем с отводом от средней точки трансформатора?

4.Сравните максимальные обратные напряжения на диодах для

схем выпрямительного моста и двухполупериодного выпрямителя

сотводом от средней точки трансформатора.

5.Одинаковы ли среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая) выпрямительного моста и двухполупериодного выпрямителя?

6.Одинаковы ли частоты входного и выходного напряжения выпрямительного моста? Как они соотносятся с частотами входного и выходного напряжений двухполупериодного выпрямителя?

56

7. Превышает ли максимальное обратное напряжение Umax на диоде мостового выпрямителя значение, предельно допустимое для ди-

ода 1N4001?

8. Одинаковы ли средние значения выходного напряжения Ud в схеме выпрямительного моста, вычисленное по формуле (4.2) и измеренное с помощью мультиметра?

Лабораторная работа № 5 Исследование выпрямителей с емкостным фильтром на выходе

5.1 Цель работы

1.Исследование влияния конденсатора на форму выходного напряжения однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей.

2.Измерение частоты выходного напряжения выпрямителя с емкостным фильтром.

3.Исследование влияния величины емкости конденсатора фильтра на среднее значение выходного напряжения.

4.Сравнение среднего значения выходного напряжения для однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей с емкостным фильтром.

5.2 Приборы и элементы

Мультиметр – группа Instruments Осциллограф – группа Instruments

Источник переменного напряжения 120 В группа Sources

–

Трансформаторы – группа Basic Диоды 1N4001 – группа Diodes

Резисторы – группа Basic Конденсаторы – группа Basic

57

5.3 Краткие сведения из теории

Выходное напряжение выпрямителей является пульсирующим. Для сглаживания пульсации напряжения в нагрузке в схему выпрямителя включаются реактивные элементы, выполняющие функции фильтров [6]. Простейшие схемы индуктивного (рис. 5.1, а), емкостного (рис. 5.1, в) и Г-образного (рис. 5.1, г) фильтров обычно выполняются на пассивных элементах. Заметим, что в указанных схемах резистор Rd является полезной нагрузкой. На рис. 5.1, б приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу выпрямителя с фильтром и показывающие напряжения на их входе и выходе.

Выпрямленное напряжение содержит постоянную Ud (среднее значение) и переменную ud(t) составляющую.

При достаточно большой величине емкости и индуктивности фильтров на их реактивных сопротивлениях падает большая часть переменной составляющей напряжения. Индуктивность в сочетании с конденсатором образует Г-образный фильтр с лучшим качеством фильтрации напряжения по сравнению с другими указанными схемами.

В однополупериодных схемах частота пульсации f1 выходного напряжения равна частоте питающей сети f, в двухполупериодных схемах она вдвое превосходит частоту питающей сети (f1 = 2f).

58

Выходное напряжение выпрямителя представляет собой сумму гармоник, кратных частоте сети. В двухполупериодном выпрямителе наибольшую амплитуду имеет первая (основная) гармоника, равная удвоенной частоте сети. Применительно к ней и ведется расчет фильтров.

Рисунок 5.1 – Схемы фильтров на пассивных элементах (а, в, г) и временные диаграммы их работы

Отношение амплитуды первой гармоники U11max выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения Ud принято называть коэффициентом пульсаций q1. Для напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя, работающего на активную нагрузку (без фильтра), этот коэффициент равен:

где Ud2 – среднее значение напряжения на выходе фильтра, U12max – амплитуда первой гармоники этого напряжения.

Отношение коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра называется коэффициентом сглаживания:

При применении индуктивного фильтра (рис. 5.1, а) первая гармоника переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя

59

распределяется между индуктивным сопротивлением фильтра ХL и нагрузочным сопротивлением Rd. Когда выполняется условие XL>>Rd, пульсации выпрямленного напряжения на резисторе нагрузки Rd малы. В двухполупериодный схеме коэффициент сглаживания равен:

Зная коэффициент пульсации и сопротивление нагрузки Rd, величину индуктивности L можно найти по формуле:

Для больших значений коэффициентов сглаживания s емкость конденсатора С или индуктивность катушки L простейших фильтров будут велики, что приведет к очень большим габаритам фильтра [11]. В этом случае применяют Г-образный фильтр (рис. 5.1, г). Для расчета Г- образного фильтра используется выражение:

где щ – частота первой гармоники выпрямленного напряжения, L и С определяются из выражения:

Среднее значение выходного напряжения Ud выпрямителя с емкостным фильтром (рис. 5.1, в) может быть приближенно оценено из соотношения:

где U2max и U2min – максимум и минимум выходного напряжения,

U 2 U 2 max U 2 min .

При этом качество фильтра можно оценить коэффициентом пульсаций q выходного напряжения, который с учетом приведенных выражений можно представить в следующем виде:

На рис. 5.2 и 5.3 показаны соответственно однополупериодный и двухполупериодный выпрямители с емкостным фильтром на выходе, а также схемы подключения приборов для их исследования в EWB.

60