Лабораторна робота №4

Дослідження випрямлячів напруги

1.1. Навчальні питання

1. Дослідження принципу роботи випрямляючих схем та стабілізаторів напруги.

2. Визначити основні параметри та характеристики однопівперіодної та двопівперіодної випрямляючих схем.

3. Розглянути часові діаграми роботи досліджуваного макету.

1.2. Навчальна мета

1. Експериментальне дослідження характеристик і параметрів випрямляючих схем та стабілізаторів напруги.

1.3. Теоретичні відомості

Електронні прилади та пристрої вимагають для свого живлення стабільної напруги постійного струму. У більшості практичних випадків таку напругу отримують зі змінної напруги мережі за допомогою вторинних джерел живлення, що включають

випрямляч сіткової напруги, фільтр, що згладжує і стабілізатор напруги, рис. 4.1.

Рис. 4.1. Структурна схема вторинного джерела живлення

До складу випрямляча звичайно входять:

– силовий трансформатор, призначений для отримання необхідних значень змінної напруги з напруги мережі, а також для гальванічної розв'язки з мережею;

– вентильна група (найчастіше напівпровідникові діоди), що перетворює напругу змінного струму в пульсуючу напругу постійного струму;

– ємнісне навантаження вентильної групи, що представляє собою конденсатор відносно великої ємності, який можна також розглядати як простий ємнісний фільтр, що згладжує. Фільтр, що згладжує, підключається до виходу випрямляча, зменшує пульсації вихідної напруги.

Якщо до вихідної напруги пред'являються високі вимоги по стабільності при коливаннях напруги мережі та струму навантаження, то в джерело живлення вводиться стабілізатор напруги. На рис. 4.2, а представлена схема однопівперіодного випрямляча з напівпровідниковим випрямляючим діодом V. Як відомо, вольт-амперна характеристика (BAX) випрямного діода має вигляд, представлений на рис. 4.3. Для спрощення практичних розрахунків її часто представляють на основі кусочно-ламаної апроксимації двома ділянками прямих АВ і ВС, причому АВ іде по осі абсцис, а нахил ВС під кутом α визначається середнім, прямим опором діода:

З метою подальшого спрощення іноді приймають 0 ≈ du U і тоді точка В зміщається в початок координат. Як наслідок з такої апроксимації ВАХ, діод представляють елементом з односторонньою провідністю, його внутрішній опір на ділянці ВА прямує до нескінченності, а на ділянці ВС порівняно малий.

Рис. 4.2. Схеми випрямлячів: а – однопівперіодного, б –

двопівперіодного (мостового)

Рис. 4.3. Вольт-амперна характеристика діода

На рис. 4.4 наведені часові діаграми напруг і струмів у випрямлячі, що працює на ємнісне навантаження.

Рис. 4.4. Часові діаграми, що відображають роботу однопівперіодного

випрямляча

В інтервалі часу t2 – t1, що відповідає зміні фазового кута ωt2 – ωt1, діод відкритий і через нього протікають струми навантаження і заряду конденсатора С. Постійна часу заряду τзар = С(Rн / Rвт), де опір втрат Rвт = Rпр.ср.+Rтр, (Rтр – активний опір втрат трансформатора). Практично завжди Rвт ≤ Rн, і τзар ≈ С(Rн / Rвт). В іншу частину періоду

діод закритий. Протягом цього часу конденсатор розряджається τразр ≈ С(Rн / Rзв+Rтр)).

Оскільки в правильно обраних діодів їх зворотний опір Rзв ≥ Rтр+Rн, постійна часу розряду τразр ≈ С·Rн і τ разр << τзар – тобто процеси заряду й розряду конденсатора С ідуть із різною швидкістю. Отже, з'являється постійна складова напруги Uc. На діоді зворотна

напруга може досягати величини Uзв.макс = 2U2m. Тому діод вибирають із Uзв.макс > 2U2m.

Фазовий кут, протягом якого діод відкритий, позначається 2θ = ωt2 - ωt1, де θ – кут відсічки. Чим менше θ, тим більше U0 і менше пульсації. Тому θ бажано зменшувати.

В установленому режимі площі під кривими струму заряду

конденсатора Iсз і струму розряду Icр однакові. Основні розрахункові

параметри випрямляча є функціями коефіцієнта )(θ A :

де m = 1 для однопівперіодного і m = 2 для двопівперіодного випрямлячів.

За допомогою цього параметра визначають необхідні значення:

Im – максимального імпульсу струму через діод;

I2 – діючого значення струму вторинної обмотки трансформатора;

E2 – діючого значення ЕРС вторинної обмотки.

За допомогою коефіцієнта A(θ) при розрахунках визначають і коефіцієнт пульсацій, що дорівнює відношенню напруги першої гармоніки до постійної складової випрямленої напруги U0:

де ∆U0 і ∆J0, знаходять за навантажувальною характеристикою джерела U0=f(J0);

U0 і J0 – напруга і струм навантаження.

На рис. 4.2, б наведена схема двопівперіодного мостового випрямляча. Її особливістю є те, що за період через діоди протікають два імпульси струму. В одному напівперіоді струм тече через діоди V2 і V3 (пунктирні стрілки), в іншому – через діоди V1 і V4. Частота пульсацій вище у два рази, а розмір їх менший. Зворотня напруга на

діодах нижче у два рази Uзв.макс > 2U2m у порівнянні з однопівперіодною схемою. Ще однією особливістю цієї схеми є відсутність у трансформаторі постійного підмагнічування, тому що струм вторинної обмотки в напівперіодах протікає в протилежних напрямках.

Для зменшення пульсації вихідної напруги між випрямлячем і навантаженням часто вмикають фільтр, що згладжує. Якість згладжування визначається коефіцієнтом згладжування, рівним відношенню коефіцієнта пульсації на вході фільтра

вх п k до коефіцієнта пульсації вих п k на його виході:

Наприклад, простий LC - фільтр, що представляє собою послідовно з навантаженням включений дросель і паралельно з навантаженням включений конденсатор, істотно зменшує пульсації, оскільки для постійної складової U0 опір дроселя близькій до 0, а для конденсатора - до нескінченності, для пульсуючої - навпаки, тому

постійна складова проходить через фільтр практично без змін, а пульсуюча істотно зменшується.

Використання електронного стабілізатора дозволяє значно зменшити Кп, Rвих, а також залежність U0 від коливань напруги мережі й струму навантаження. Якість стабілізації оцінюється коефіцієнтом стабілізації при постійному струмі навантаження:

де ∆Uвих – збільшення U0 при зміні Uвх на величину ∆Uвх;

Uвх.н, Uвих.н – номінальні значення вхідної та вихідної напруг.

Найпростішим електронним стабілізатором є параметричний стабілізатор (рис. 4.5, а), що складається з баластного опору Rб і стабілітрона. Він установлюється в джерелі живлення між навантаженням і випрямлячем з згладжуючим фільтром, якщо такий є.

Рис. 4.5. Параметричний стабілізатор (а) і вольт-амперна

характеристика стабілітрона (б)

У цій схемі використовується властивість зворотно зміщеного стабілітрона зберігати напругу в області пробою практично незмінною при значних побоях струму, що протікає через нього (рис. 4.5, б), зворотна гілка ВАХ стабілітрона в області Uст). При

відхиленні Uвх від номінального значення майже весь приріст вхідної напруги падає на Rб , а вихідна напруга практично не змінюється. При зміні струму навантаження I2 (Uвх – const) перерозподіл струму між стабілітроном і навантаженням (змінюється Icт) майже без зміни загального струму I1. Отже, напруга на навантаженні залишається практично постійною. Коефіцієнт стабілізації параметричного стабілізатора визначається по формулі:

де

g r – динамічний опір стабілітрона.

Вихідний опір стабілізатора Rвих=Rб / g r ≈ g r тому що g r << Rб.

1.4. Опис лабораторної установки

Макет, схема якого представлена на рис. 4.6, включає:

– випрямляч, котрий залежно від положення перемикача B1 може працювати по однопівперіодній або мостовій схемі;

– LC - фільтр (L1, C2);

– параметричний стабілізатор (R2, V6);

– контрольно-вимірювальні прилади (V1, V2);

– дискретно змінне навантаження (R3,R4, R5, R6);

- ємнісне навантаження (C1).

Риc. 4.6. Схема макета лабораторної роботи для дослідження

випрямлячів напруги

1.5. Порядок виконання роботи.

1. Дослідити роботу однопівперіодної і двопівперіодної схем випрямляча для випадків:

- активного навантаження;

- ємнісного навантаження;

замалювати форму вихідної напруги, а також форму струму, що протікає через діод.

2. Визначити за допомогою осцилографа кут відсічки θ і коефіцієнт пульсацій Кп для одно - і двопівперіодної схем.

3. Дослідити згладжуючу дію фільтру LC при одно- і двопівперіодному випрямленні. Визначити коефіцієнти згладжування.

4. Відзняти навантажувальні характеристики випрямляча й визначити його вихідний опір.

5. Підключити до випрямляча параметричний стабілізатор, зняти навантажувальну характеристику стабілізатора й визначити по ній його вихідний опір, визначити коефіцієнт стабілізації (схема випрямляча мостова, фільтр LC відключений).

1.6. Обробка результатів.

1. Для кожної схеми АД, що досліджувалась, використовуючи осцилограми вхідних сигналів графічно або аналітично визначити ідеалізовані значення вихідних сигналів.

2. Визначити для кожної схеми, що досліджувалась, абсолютну похибку функціонального перетворення вхідного сигналу, віднімаючи графічно або аналітично (по відлікам) від осцилограм вихідних сигналів відповідні ідеалізовані (точні) відгуки, що були визначені по

розрахункам п. 1.

3. По результатам досліджень побудувати залежності та виконати аналіз точності детектування в залежності від наступних факторів:

а) амплітуди і частоти вхідного сигналу;

б) значення номіналів пасивних елементів схем АД;

в) значення величин опору навантаження;

г) в наявності в схемі активних елементів.

4. Порівняти отримані результати з довідниковими даними та обрахунками значень відгуків пристроїв, що досліджувалися.

5. По результатам досліджень та розрахунків зробити висновки і дати рекомендації щодо отриманих режимів роботи логарифмуючих та антилогарифмуючих підсилювачів.

6. Результати досліджень та розрахунків оформити у вигляді звіту, що підлягає індивідуальному захисту.

1.7. Зміст звіту. Звіт повинен містити:

1. Структурні схеми досліджуваних пристроїв.

2. Результати розрахунків.

3. Зробити висновки: про об’єм виконаної роботи, чи досягнена мета роботи, чи практичні результати співпали з теоретичними.

1.8. Контрольні тестові питання.

1. Як розрахувати коефіцієнт пульсацій випрямляча напруги?

2. Як визначити коефіцієнт стабілізації стабілізатора?

3. Як визначити кут відсічки?

4. Що таке навантажувальна характеристика, як вона знімається і які параметри можна по ній визначити?

5. Як визначається коефіцієнт згладжування?

6. Яка особливість двопівперіодного мостового випрямляча?

7. Яка властивість зворотно зміщеного стабілітрона використовується в стабілізаторах напруги?

8. У чому відмінність роботи діода в однопівперіодній і двухпівперіодній мостовий схемах?

9. Чому дорівнює кут відсічення при короткому замиканні навантаження й при холостому ході?

10. Яке співвідношення частоти пульсацій, зворотною напругою на діодах для однопівперіодної та двопівперіодної схеми?