16

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

М Е Т О Д И Ч Н І В К А З І В К И

до лабораторної роботи

„Дослідження однофазних некерованих випрямлячів та згладжуючих фільтрів”

з дисципліни „Електроживлення комплексів зв’язку” для студентів базового напряму 6.0924 „Телекомунікації”

та дисципліни «Електротехнічні пристрої РЕЗ»

для студентів базового напряму 6.0907 « Радіотехніка»

Затверджено на засіданні

кафедри РЕПС

протокол № ____ від__________2008 р

Л Ь В І В 2008

Методичні вказівки до лабораторної роботи “Дослідження однофазних некерованих випрямлячів та згладжуючих фільтрів” з дисципліни „Електроживлення комплексів зв’язку” для студентів базового напряму 6.0924 „Телекомунікації” та дисципліни «Електротехнічні пристрої РЕЗ» для студентів базового напряму 6.0907 « Радіотехніка» /Укл.: В.Г.Сторож, І.Г.Яковенко. -Львів: НУ”ЛП”, 2008.-16 с.

Укладачі :	В.Г. Сторож, канд. техн. наук, ст. викл.
	І.Г.Яковенко, ст. викл.

Відповідальний за випуск І.Н.Прудиус, д-р техн. наук, проф.

Рецензенти:	В.І. Оборжицький, канд. техн. наук, доц.
	М.Й. Николишин, канд. техн. наук, доц.

ДОСЛІДЖЕННЯ ОДНОФАЗНИХ НЕКЕРОВАНИХ ВИПРЯМЛЯЧІВ ТА ЗГЛАДЖУЮЧИХ ФІЛЬТРІВ

Мета роботи: вивчити принципи роботи основних схем живлення та дослідити характеристики випрямлячів та згладжуючих фільтрів.

Теоретичні відомості

Випрямлячами називають пристрої, що перетворюють змінну напругу, полярність якої періодично змінюється, в пульсуючу, полярність якої залишається незмінною. Випрямляч звичайно складається з трансформатора, який змінює амплітуду напруги первинного джерела (силової мережі), напівпровідникових діодів, що здійснюють випрямлення змінної напруги на виході трансформатора, та згладжуючого фільтра, що зменшує пульсацію випрямленої напруги.

При живленні від однофазної мережі використовують схеми випрямлення, подані на рис.1.

+(-)

+(-)

+(-)

+(-)

Рис.1. Схеми випрямлення.

Однопівперіодна схема випрямлення (рис.1,а) характеризується низьким коефіцієнтом використання потужності трансформатора та найвищими пульсаціями напруги на навантаженні. Тому цю схему застовують досить рідко, коли випрямлені струми не перевищують десятків міліампер і у навантаженні допускається високий рівень пульсацій напруги. Основними схемами випрямлення являються мостова схема (схема Греца) (рис.1,б) та схема з нульовим виводом у вторинній обмотці трансформатора (рис.1,в).

Мостова схема випрямлення складається з чотирьох вентилів VD1…VD4. У додатній півперіод напруги на вторинній обмотці трансформатора струм пропускають вентилі VD1 і VD4, а у від’ємний – вентилі VD2 і VD3. При цьому струм у навантаженні протікає в одному напрямі, вказаному стрілкою. Форми напруг, струму навантаження та струму в вентилях показано на рис.2.

Рис 2. Напруги та струми у випрямлячі.

До закритого вентиля прикладена зворотна напруга U_VD, яка повторює за формою напругу вторинної обмотки трансформатора TV. Максимальне значення зворотної напруги на вентилі дорівнює Е_2m – амплітудному значенню напруги вторинної обмотки трансформатора. Середнє значення випрямленої напруги визначається за формулою:

.

Якщо врахувати, що амплітудне значення напруги на вторинній обмотці зв’зане з діючим значенням співвідношенням E_2m = E₂2 , можна одержати наступну формулу для визначення середнього значення випрямленої напруги:

.

При роботі на чисто активне навантаження у первинній та вторинній обмотках трансформатора протікає струм синусоїдної форми. Схема Греца характеризується хорошим використанням елементів випрямляча і трансформатора. Тому вона знаходить широке застосування при випрямленні однофазного струму.

При роботі на активно-індуктивне навантаження форма випрямленої напруги не змінюється. Форма струму у вентилях стає згладженішою і за умови достатньо великої індуктивності наближається до форми прямокутних імпульсів.

При роботі даної схеми на активно-ємнісне навантаження тривалість протікання струму у вентилях стає меншою за  і визначається кутом відсічки струму вентиля  ( див. рис.3,б). При цьому струм у вентилях має форму синусоїдних імпульсів з великою амплітудою.

Найкращий режим роботи вентилів – у схемі з активно-індуктивним навантаженням, найгірший – у схемі з активно-ємнісним навантаженням, яка використовується в основному у випрямлячах малої потужності.

Рис.3. Напруга та струм у схемі з активно-ємнісним навантаженням.

Схема з нульовим виводом складається з двох вентилів – VD1 та VD2 і трансформатора TV, який має дві однакові вторинні обмотки, ввімкнені послідовно (рис.1,в). У додатній півперіод напруги мережі відкритий вентиль VD1, у від’ємний півперіод – вентиль VD2. Форми випрямленої напруги та струму такі самі, як і у мостовій схемі. Однак, амплітудне значення зворотної напруги на закритому вентилі у цій схемі у два рази більше, ніж у схемі Греца. Недоліком схеми є погане використання трансформатора, бо він має дві вторинні обмотки, кожна з яких працює протягом одного півперіода. Основне використання даної схеми – низьковольтні випрямлячі. Оскільки послідовно з навантаженням ввімкнений лише один вентиль, то при низьких випрямлених напругах це дозволяє одержати вищий к.к.д.

У деяких випадках виникає необхідність одержання високих напруг на виході випрямляча. Для цього може бути використана попередня схема з підвищуючим напругу трансформатором, або випрямляч з помноженням напруги. У останньому випадку можуть бути застосовані безтрансформаторні схеми (рис.4).

Рис.4. Схеми множення напруги.

На рис.4,а подана схема подвоєння напруги, що являє собою два послідовно ввімкнених однопівперіодних випрямляча з ємнісним навантаженням. Один з них працює при додатній півхвилі змінної напруги, інший – при від’ємній. Сумарна напруга з двох послідовно ввімкнених однакових конденсатора подається на навантаження R. Пульсації на кожному з конденсаторів схеми є удвічі більшими від пульсацій на її виході.

Для збільшення коефіцієнта множення напруги використовуються схеми рис.4,б. Коефіцієнт множення наруги визначається кількістю каскадів, кожний з яких складається з діода та конденсатора. У схемах множення напруги частота пульсацій дорівнює частоті мережі. Зворотна напруга на діодах та напруга на усіх конденсаторах (крім першого) дорівнює подвоєній напрузі мережі. При використанні підвищуючих трансформаторів кількість каскадів множення бажано вибирати парною, оскільки при непарній кількості каскадів у вторинній обмотці трансформатора з’являється постійний струм, що створює підмагнічування трансформатора, яке погіршує його характеристики. Схеми множення напруги використовуються в основному при малих струмах навантаження.

Оскільки випрямлена напруга у всіх розглянутих випрямлячах – пульсуюча, то для одержання постійної напруги на виході випрямляча ставиться згладжуючий фільтр.

Згладжуючий фільтр – пристрій, призначений для зменшення змінної складової випрямленої напруги. Ступінь пульсацій випрямленої напруги характеризується коефіцієнтом пульсацій К_П, який визначається як відношення амплітуди першої (основної) гармоніки пульсацій U_m до середнього значення вихідної випрямленої напруги U₀ :

.

Знаючи кратність m пульсацій випрямленої напруги, коефіцієнт пульсацій за першою гармонікою на виході випрямляча можна визначити як

при m >1, або , при m = 1.

Згладжуюча дія фільтра характеризується коефіцієнтом згладжування, який дорівнює відношенню коефіцієнта пульсацій на вході фільтра до коефіцієнта пульсацій на виході фільтра:

.

Іншим параметром фільтра, що характеризує його фільтруючі властивості, є коефіцієнт фільтрації:

,

де U_m^ВХ, U_m^ВИХ – напруга змінної складової пульсацій на вході та виході фільтра відповідно.

Ємнісний фільтр складається з конденсатора С_Ф, під’єднаного паралельно навантаженню випрямляча R_Н (рис.3,а). Його дія ґрунтується на накопиченні енергії в електричному полі конденсатора в моменти часу, коли миттєве значення випрямленої напруги U_ВИП більше за напругу на конденсаторі U_C (рис. 3,б). При цьому вентилі випрямляча відкриті і пропускають струм в інтервалі t₁    t₂. Коли випрямлена напруга стає меншою за напругу на конденсаторі, вентилі закриваються і струм навантаження підтримується за рахунок енергії, накопиченої в конденсаторі фільтра С_Ф.

Половина інтервалу часу t₁… t₂, на протязі якого вентиль випрямляча пропускає струм, називається кутом відсічки , тобто

Випрямлена напруга містить постійну складову та гармоніки змінної напруги з частотою, кратною частоті мережі живлення. Максимальну амплітуду має перша гармоніка. Щоб змінна складова випрямленої напруги не проходила на навантаження, ємність конденсатора вибирають так, щоб його ємнісний опір для частоти пульсацій був набагато меншим за опір навантаження, тобто:

Ємнісний фільтр вигідно використовувати за малих струмів навантаження (великих R_Н), бо при цьому потрібна менша ємність конденсатора фільтра. Внаслідок того, що згладжуючи дія ємнісного фільтра ґрунтується на накопиченні енергії, а енергія, яку запасає конденсатор визначається залежністю:

можна зробити висновок, що ємнісний фільтр вигідно застосовувати при підвищених напругах випрямляча.

Індуктивний фільтр складається з дросселя L_Ф, ввімкненого послідовно з опором навантаження R_Н (рис 5,а). Згладжуючи дія такого фільтра ґрунтується на виникненні в дроселі ЕРС самоіндукції, яка протидіє зміні випрямленого струму. Для постійної складової струму дросель практично не становить опору, і тому вона передається в навантаження без послаблення.

Щоб змінна складова випрямленої напруги не проходила в навантаження, необхідно, щоб індуктивний опір дроселя для змінного струму був набагато більший від опору навантаження, тобто:

Оскільки згладжуюча дія дроселя ґрунтується на його властивості накопичувати енергію магнітного поля в осерді дроселя:

то індуктивний фільтр є ефективним при великих струмах навантаження (низьких R_Н).

Рис. 5. Схеми фільтрів.

Індуктивний фільтр дозволяє забезпечити неперервність струму в навантаженні і сприятливий режим роботи вентилів та трансформатора випрямляча. Зовнішня характеристика U_H = F(I_H) випрямляча з індуктивним фільтром є жорсткою, тобто напруга мало змінюється зі зміною струму, що є перевагою перед ємнісним фільтром.

Якщо паралельно навантаженню R_H підключити конденсатор С_Ф, а послідовно з навантаженням ввімкнути дросель L_Ф, одержимо Г – подібний LC-фільтр (рис.5,б). У ньому поєднуються позитивні якості індуктивного та ємнісного фільтрів, бо елементи фільтра вибираються з умови:

Такий фільтр однаково добре згладжує пульсації як при великих, так і при малих струмах навантаження.

Для забезпечення жорсткості зовнішньої характеристики такого фільтра необхідно, щоб струм у дроселі був неперервним, Ця умова виконується, якщо індуктивність дросселя буде більшою від деякого критичного значення, яке визначається співвідношенням:

де К_П1 – коефіцієнт пульсацій напруги на вході фільтра.

Коефіцієнт згладжування LC-фільтра:

.

У малопотужних випрямлячах часто замість дроселя фільтра використовують резистор R_ф (рис.5,в). У такому фільтрі на опорі R_Ф крім змінної складової відбувається спад частини постійної складової випрямленої напруги. ККД такого фільтра є нижчий, ніж в LC-фільтрах. Однак RC-фільтри мають менші габаритні розміри та вартість.

Застосовуються RC-фільтри у малопотужних випрямлячах, які працюють на статичне навантаження. Для отримання хорошого коефіцієнта згладжування та прийнятного ККД елементи RC-фільтра вибирають з наступних умов:

.