Контрольные вопросы

1. Поясните назначение стабилизаторов постоянного напряжения.

2. Какими параметрами характеризуют качество работы стабилизаторов постоянного напряжения?

3. Как классифицируются стабилизаторы напряжения?

4. Укажите особенности ВАХ полупроводникового стабилитрона.

5. Опишите принцип действия параметрического стабилизатора.

6. Опишите принцип действия компенсационного стабилизатора.

7. Поясните характер зависимостей U_ВЫХ = f (U_ВХ) при I_H = 0 для параметрического и компенсационного стабилизаторов.

8. Поясните вид внешней характеристики U_ВЫХ = f (I_H) для параметрического и компенсационного стабилизаторов.

9. Дайте сравнительный анализ параметрического и компенсационного стабилизаторов постоянного напряжения.

Библиографический список

1. Основы промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова – М.: Высшая школа, 1986. – с. 243-250

2. Лабораторные работы по основам промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1977. – С. 87-89.

Лабораторная работа №7

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ОДНОПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Цель работы

Изучение принципа действия и основных характеристик выпрямителя.

Основные теоретические положения

Выпрямителем называется устройство для преобразования электрического переменного тока в постоянный. Необходимость такого преобразования обусловлена тем, что электростанции вырабатывают энергию переменного тока, а многие промышленные силовые электроустановки и цепи автоматики и радиоэлектроники работают на постоянном токе. Промышленные силовые электроустановки постоянного тока получают питание от трёхфазных выпрямителей, а цепи автоматики и радиоэлектроники от однофазных.

Структурная схема выпрямительного устройства приведена на рис.1. В состав этой схемы входят: трансформатор Тр, блок вентилей В, сглаживающий фильтр Ф, стабилизатор Ст и нагрузка Н.

Трансформатор служит для повышения или понижения напряжения сети до такой величины, которая обеспечит заданное напряжение на зажимах нагрузки. Блок вентилей в однофазных выпрямителях может состоять из одного, двух и четырёх вентилей. Под вентилем понимают устройство, способное проводить ток только в одном направлении. В данной работе рассматриваются выпрямители, у которых в качестве вентилей используются полупроводниковые диоды. Блок вентилей выполняет основную функцию выпрямителя – преобразование переменного тока в постоянный. Сглаживающий фильтр используется для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и тока. Фильтр представляет собой устройство, способное запасать энергию (получая её от источника) при увеличении напряжения и отдавать её нагрузке при уменьшении напряжения и отдавать её нагрузке при уменьшении напряжения. В данной работе рассматриваются выпрямители с емкостным фильтром, который представляет собой конденсатор, включённый параллельно нагрузке. Стабилизатор напряжения служит для уменьшения отклонений величины напряжения на зажимах нагрузки от номинала, которые могут возникнуть вследствие изменения сопротивления нагрузки или изменения напряжения сети. В данной работе исследуются выпрямители без стабилизаторов напряжения. В качестве нагрузки выпрямителя используются следующие элементы и устройства: резисторы, индуктивные катушки, двигатели постоянного тока, усилители электрических сигналов, цепи измерительных приборов и т.п. В данной работе нагрузкой выпрямителя является резистор.

Известны три основных типа выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодные – мостовой и с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора. Выпрямители могут быть управляемыми и неуправляемыми. В управляемых выпрямителях выпрямленное напряжение можно регулировать. В зависимости от количества фаз питающей сети переменного тока выпрямители подразделяют на однофазные и трехфазные (многофазные). Трехфазные выпрямители используются при необходимости обеспечения большой мощности источника постоянного тока.

В цепи с полупроводниковым диодом (рис. 2) установившийся ток может протекать только при определенной полярности приложенного к диоду напряжения. При изменении полярности напряжения диод запирается и ток прекращается. В цепи переменного (синусоидального) напряжения ток протекает только в течение той полуволны, когда диод открыт. Полуволна другой полярности подавляется. В результате в цепи имеет место ток одного направления. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры. Простейшим фильтром является конденсатор, подключенный параллельно нагрузке.

Рис. 2.

При исследовании выпрямителей применяются следующие обозначения:

• u_ВХ, U_ВХ — мгновенное и действующее значения синусоидального входного напряжения;

• u_d, U_d, U_dmax, U_dmin — мгновенное, среднее, максимальное, минимальное значения выходного (выпрямленного) напряжения;

• f_п — частота пульсаций выходного напряжения;

• m = f_пульс / f_вх — число пульсаций выпрямленного напряжения за один период напряжения питания;

• — коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения. В данной работе используется одна фаза трехфазного источника напряжений.

Работа выпрямителя без фильтра. При положительной полуволне напряжения U_вх (рис.2) диод VD открыт. При этом под воздействием напряжения U_вх по цепи: верхний зажим, диод VD, нагрузочный резистор R_H, нижний зажим – протекает ток i_H. При отрицательной полуволне напряжения U_вх диод VD закрыт. При этом ток i_H не протекает.

Ток i_H, протекая по резистору R_H, создаёт пульсирующее напряжение U_H (рис.2). Это напряжение представляется следующим рядом Фурье:

где – постоянная составляющая выпрямленного напряжения U_H, - амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения и так далее.

Рис. 3. Кривые, поясняющие работу выпрямителя

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения U₀ при однополупериодном выпрямлении выражается через амплитудное и действующее значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора следующими формулами:

При однополупериодном выпрямлении коэффициент пульсации определяется как отношение амплитуды первой гармоники к постоянной составляющей:

Работа выпрямителя с фильтром. Процесс сглаживания пульсаций емкостным фильтром при однополупериодном выпрямлении показан на рис.3. Из этого рисунка следует, что выпрямленное и слаженное напряжение U_НФ на нагрузочном резисторе всегда больше нуля. В соответствии с законом Ома ток i_НФ, протекающий через нагрузку при наличии фильтра, также всегда будет больше нуля. Это объясняется следующим образом. В интервалах 0 – 1, 2 – 3, 4 – и т.д. диод открыт и ток i_НФ протекает под воздействием напряжения U_вх. В эти же интервалы времени происходит подзаряд конденсатора С_Ф. В интервалах 1 – 2, 3 – 4 и т. д. диод закрыт, а ток i_НФ протекает в результате разряда конденсатора на нагрузочный резистор R_H.

Внешняя характеристика выпрямителя. Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость средневыпрямленного напряжения U₀ от средневыпрямленного значения тока I₀, то есть зависимость U₀(I₀). На рис.4 приведены графики внешних характеристик выпрямителя при работе его с фильтром – кривая U_0Ф(I₀) – и без фильтра – кривая U₀(I₀). Напряжения U_0ФХ и U_0X представляют собой напряжения холостого хода выпрямителя при работе его с фильтром и без фильтра. При этом U_0ФХ > U_0X за счёт действия сглаживающего фильтра.

Из сравнения этих кривых следует, что при увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах нагрузки при работе выпрямителя с фильтром уменьшается более интенсивно, чем без фильтра. Это происходит из-за того, что на величину средневыпрямленного напряжения влияет более быстрый разряд конденсатора при уменьшении R_H.

ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования является однополупериодный выпрямитель. Он получает питание от сети переменного тока. Нагрузкой выпрямителя является резистор R_H. Для визуального наблюдения процесса выпрямления переменного напряжения применяется электронный осциллограф.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Соберите цепь согласно схеме (рис. 5) без сглаживающего фильтра. При сборке схемы обратите внимание на полярность электролитического конденсатора.

Рис. 5

2. Включите приборы V0 и V1 и осциллограф. Установить переключатель « » осциллографа в положение « » (открытый вход).

Для получения осциллограммы входного напряжения U_2Т подключить вход Y осциллографа к зажимом А и N. Установить на экран осциллографа 2-3 периода этого напряжения и зарисовать полученную осциллограмму на рис.6.

Для получения осциллограммы выпрямленного напряжения U_Н соединить вход Y осциллографа с гнёздами нагрузочного резистора R_H при отключённом фильтре С_Ф. Полученную осциллограмму зарисовать на рис.6.

Для получения осциллограммы выпрямленного и сглаженного напряжения U_НФ подключить фильтр С_Ф. Полученную осциллограмму зарисовать на рис.6. Зарисованные осциллограммы показать преподавателю, после чего осциллограф отключить от исследуемой цепи.

3. Сделайте измерения и запишите в табл. 1. значения: U_ВХ — действующее, U_d — среднее, , m = f_пульс / f_вх.

4. Рассчитайте и запишите в табл. 1 коэффициенты U_d / U_ВХ и k_пульс.

Таблица 1

C, мкФ	0	1	10	100
UВХ, В
Ud, B
, В
m
Ud / UВХ
kпульс

Рис. 6

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Вычислить амплитудные значения переменных составляющих U_m и U_mФ и коэффициенты пульсаций Р и Р_Ф выпрямленного напряжения по формулам

Полученные результаты записать.

2. Построить внешние характеристики выпрямителя без фильтра

U₀ = f(I₀) и с фильтром U_0Ф = f(I₀).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

1. Что называется выпрямителем?

2. Из каких частей в общем случае состоит выпрямитель?

3. Для чего в выпрямителях применяются фильтры и могут ли они работать без фильтров?

4. Нарисуйте кривую изменения выпрямленного напряжения при двухполупериодном выпрямлении без фильтров.

5. Какова связь между постоянной составляющей выпрямленного напряжения и средневыпрямленного напряжения?

6. Амплитуда выпрямленного синусоидального напряжения равна 100В. Чему равны средневыпрямленное значение напряжения при двухполупериодном выпрямлении без фильтров?

7. Чему равен коэффициент пульсаций напряжения при двухполупериодном выпрямлении?

8. Действующее значение выпрямленного синусоидального напряжения 100В. Средневыпрямленное напряжение на зажимах нагрузки должно быть не менее 80В. Можно ли получить заданное напряжение от выпрямителя без фильтра?

9. Что называют внешней характеристикой выпрямителя?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Основы промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова – М.: Высшая школа, 1986. – С. 224-231, 235-243.

2. Лабораторные работы по основам промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1977. – С. 81-98.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО

ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ