Лаб_раб №4. Выпрямитель

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Исследование однополупериодного и двухполупериодного мостового выпрямителя

Цель работы: Определить коэффициенты пульсаций напряжений в однополупериодном и двухполупериодном выпрямителях без емкостного фильтра и с емкостным фильтром. Исследовать зависимость выходных напряжений от токов в нагрузках выпрямителей.

Список литературы

1. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: учебн. пособие. – изд-во Феникс, 2000. – 448 с.

Краткие сведения для подготовки к лабораторной работе

Устройство, преобразующее переменный ток в постоянный называется выпрямителем. Выпрямитель состоит из трех основных функциональных элементов: трансформатора, системы вентилей и сглаживающего фильтра. Трансформатор предназначен для преобразования величины стандартного напряжения U₁=220В до напряжения U₂, необходимого для получения постоянного выпрямленного напряжения U₀.

Система электрических вентилей предназначена для преобразования переменного тока в пульсирующий ток. Электрическим вентилем называется прибор, проводящий ток в одном направлении. В качестве вентилей используются полупроводниковые диоды.

Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения (сглаживания)

пульсаций выпрямленного напряжения до величины, необходимой для нормальной работы потребителя. т.е. для преобразования пульсирующего напряжения в постоянное.

На рис.4.1. изображена схема однофазного однополупериодного выпрямителя. Она состоит из двухблочного трансформатора, полупроводникового диода, сопротивления нагрузки.

Рис 4.1. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

В этой схеме диод пропускает ток только в одном направлении в положительные полупериоды переменного напряжения U_2, на нагрузочном сопротивлении R_н возникает пульсирующее напряжение U_вых, близкое по значению и форме к положительным полусинусоидам напряжения U₂ (отличающееся на потерю напряжения в диоде).

На рис.4.2 показана форма напряжения в сопротивлении нагрузки.

Рис. 4.2. Форма напряжения в сопротивлении нагрузки

Пульсирующее напряжение на сопротивлении нагрузки равно сумме постоянной составляющей ряда гармонических составляющих, т.е. ряда синусоидальных составляющих с увеличивающейся частотой и уменьшающейся амплитудой.

(4.1)

где U_mвых – амплитуда напряжения на нагрузке, – угловая частота, – частота напряжения сети.

Первое слагаемое в формуле (4.1) называется постоянной составляющей

.

Второе слагаемое называется первой или основной гармонической, остальные слагаемые – высшими гармоническими.

Степень пульсаций выпрямленного напряжения можно характеризовать коэффициентом пульсаций

, (4.2)

где U _m1– амплитуда основной, наиболее ярко выраженной гармонической выходного напряжения.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя даёт очень высокий коэффициент пульсаций

.

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой даёт меньше пульсаций. Эта схема изображена на рис. 4.3. Схема представляет собой два параллельно соединённые однополупериодные выпрямителя. Рассматриваемая схема может использоваться только с трансформатором, имеющим отвод от средней точки вторичной обмотки.

Рис. 4.3. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя

Диоды VD1 и VD2 работают поочерёдно, пропуская ток в разные половины периода. Направление тока через сопротивление, как в первую, как и во вторую половину периода одно и тоже. На нагрузке образуются полуволны напряжения одного и того же знака. Форма напряжения на сопротивлении нагрузки показана на рис.4.4.

Рис. 4.4. Форма напряжения на сопротивлении нагрузки.

Выходное напряжение при двухполупериодном выпрямлении можно представить в виде суммы постоянной и синусоидальной составляющих.

Частота основной, наиболее ярко выраженной гармоники равна 100Гц.

Коэффициент пульсаций в схеме двухполупериодного выпрямителя

. (4.3.)

Величина коэффициента пульсаций в схеме

.

Тот же эффект двухполупериодного выпрямления можно получить без применения трансформатора с помощью так называемой однофазной мостовой схемы выпрямителя (рис.4.5). В этой схеме к одной диагонали моста, образованного четырьмя диодами, подключена нагрузка, а к другой диагонали подключен источник переменного напряжения. В положительном полупериоде переменного напряжения U₂ открыты и пропускают ток диоды VD1 и VD2. Диоды VD3 и VD4 закрыты. При отрицательном полупериоде переменного напряжения диоды VD3 и VD4 открыты, а диоды VD1 и VD2 закрыты. На нагрузке, как и в предыдущем случае, образуются полсинусоиды напряжения.

+

Рис. 4.5. Схема однофазного мостового выпрямителя.

Из-за падений напряжения на элементах выпрямителя от протекания токов выходное напряжение уменьшается с ростом тока нагрузки. Поэтому нагрузочная характеристика выпрямителя имеет спадающий характер.

Сглаживающие фильтры уменьшают пульсации выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор, включаемый параллельно нагрузке. Емкостное сопротивление конденсатора на частоте первой гармоники пульсации должно быть много меньше сопротивления нагрузки. Конденсатор заряжается, накапливает энергию в моменты времени, когда возрастает напряжение и ток в нагрузке и отдает накопленную энергию в нагрузку, когда напряжение и ток в нагрузке уменьшается. Происходит замедление спада напряжения. Применение емкостного фильтра приводит к уменьшению коэффициента пульсации и увеличению постоянной составляющей выпрямленного напряжения.

На рис.6 изображена форма напряжения на емкостном фильтре в схеме мостового выпрямителя, где ΔU_c – переменная составляющая напряжения на конденсаторе, U₀ – постоянная составляющая.

Рис. 4.6. Форма напряжения на емкостном фильтре на сопротивлении нагрузки.

Коэффициент пульсаций в схеме с фильтром определяется по формуле (4.4) при максимальном значении ΔU_c.

. (4.4)

Экспериментальная часть

Приборы и оборудование:

1. Универсальный переносной стенд

Схемы исследуемых цепей приведены на рис. 4.7а и рис 4.7б

На рис.4.7а изображена исследуемая схема однополупериодного выпрямителя (зона 2), а на рис.4.7б – схема однофазного мостового выпрямителя (зона 3).

Рис. 4.7. Схемы исследуемых цепей.

Порядок выполнения работы

1. Включите стенд. Миллиамперметр подключите к гнёздам I, вольтметр к гнёздам U_вых зоны 2. Изменяя сопротивление нагрузки R₁, измерьте значение выходного напряжения и тока нагрузки. Полученные данные запишите в таблицу 4.1.

Таблица 4.1.

I[mA]
Uвых[В]

Постройте график

2. Подключите осциллограф к гнёздам U_вых зоны 2 и зарисуйте осциллограмму выходного напряжения. Измерьте амплитуду выходного напряжения U_вых. Переключая вход осциллографа с «~» на «_¯», измерьте скачок осциллограммы. Величина скачка равна постоянной составляющей выходного напряжения U₀. По формуле (4.2) вычислите коэффициент пульсаций.

3. Подключите к гнёздам U_вых зоны 2 конденсатор. К тем же гнёздам подключите осциллограф, зарисуйте осциллограмму напряжения на конденсаторе. Измерьте постоянную и переменную составляющие напряжения на конденсаторе. Вычислите коэффициент пульсаций по формуле (4.4).

4. Подключите миллиамперметр к гнёздам I, вольтметр к гнёздам U_вых зоны 3. Измерьте величины выходного напряжения и тока нагрузки при изменении сопротивления R₁. Полученные данные запишите в таблицу 4.2.

Таблица 4.2.

I[mA]
Uвых[В]

Постройте график

5. Подключите осциллограф к гнёздам U_вых зоны 3 и зарисуйте осциллограмму выходного напряжения. Измерьте амплитуду и постоянную составляющую выходного напряжения осциллографом и вычислите по формуле (4.3) коэффициент пульсаций.

6. Подключите к гнёздам U_вых зоны 3 конденсатор. Зарисуйте осциллограмму напряжения на конденсаторе. Измерьте постоянную и переменную составляющие напряжения на конденсаторе. Вычислите коэффициент пульсаций по формуле (4.4).

Контрольные вопросы

1. Чем отличается однополупериодный выпрямитель от двухполупериодного?

2. Схема двухполупериодного выпрямителя. Назначение отдельных элементов.

3. Мостовая схема выпрямителя. Принцип работы схемы.

4. Что понимают под коэффициентом пульсации.

5. Каким образом емкостной фильтр влияет на коэффициент пульсации?

6. Почему напряжение на нагрузке выпрямителя уменьшается при увеличении тока?