ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСКТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
.docМинистерство образования Российской Федерации "МАТИ" Российский Государственный Технологический Университет
им. К. Э. Циолковского
Кафедра «Электроники и информатики»
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСКТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Методические указания к лабораторной работе
Составители: Пяткин А. А.
Румянцева М. Н, Севастьянов К. С.
Москва 2006 г.
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания, написанные для студентов неэлектрических факультетов всех специальностей «МАТИ» - РГТУ им. К. Э. Циолковского, предназначены обеспечить выполнение лабораторной работы курса «Электротехника и промышленная электроника».
В данной работе изучаются:
- выпрямительные схемы переменного тока различных видов.
- роль емкостных и индуктивных сглаживающих фильтров и области их целесообразного применения в информационной и силовой электронике.
-
ЦЕЛЬ И СОДРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ
А. Изучить схемы и особенности работы одно- и двухполупериодных
выпрямителей переменного тока.
Б. Исследовать влияние сглаживающих фильтров на внешние характеристики выпрямительного устройства.
В. Выполнить расчет коэффициентов пульсации и сглаживания емкостных и индуктивных фильтров для обоснования области их эффективного применения в выпрямительных схемах.
-
МЕТОДИКА ВЫПОЛЕНИЯ ЗАДАНИЯ
В работе исследуются неуправляемые выпрямительные устройства, выполненные на диодах
Для удобства анализа изменены допущения, что диоды – идеальны, т.е.:
Rпр = 0; Rобр = ∞
2.1 Основные характеристики схем выпрямления:
а) Коэффициент пульсации. Важнейшей характеристикой (параметром) оценки качества выпрямительной установки (схемы) является коэффициент пульсации тока (напряжения):
q = Im / Icp (1)
где Im – амплитуда гармоники в спектре выпрямления тока;
Icp – среднее значение тока.
В однополупериодной схеме такой гармоникой является первая (основная) с амплитудой
(2)
Соответственно в двухполупериодных схемах низшей гармоникой является вторая, для которой
(3)
Подставляя полученные значения амплитуд в (1), получаем для коэффициентов пульсации:
- при однополупериодной схеме выпрямления
q=1, 57 (4)
- при двухполупериодных схемах выпрямления
q = 0, 67 (5)
Как видно из (4) и (5), двухполупериодное выпрямление характеризуется заметно меньшими пульсациями тока, а потому более широко используется в выпрямительных устройствах.
б) Внешняя характеристика выпрямителя. Вторым важнейшим показателем выпрямительной установки, определяющим ее эксплуатационные возможности, является внешняя характеристика выпрямителя ,т.е. зависимость выходного напряжения от тока нагрузки.. Поскольку выпрямители используют в качестве вторичных источников (преобразовательной) постоянного тока, то практический интерес имеет внешняя характеристика по постоянному току, т.е. где и - соответственно средние значения выходного напряжения выпрямителя и тока нагрузки, измеряемые электроизмерительными приборами постоянного тока (например, магнитоэлектрической системы).
На рис.1 приведена внешняя характеристика выпрямителя по постоянному току.
Рис. l. Внешняя характеристика выпрямителя (по постоянному току)
2.2. Сглаживающие фильтры и оценка эффективности их работы.
Большинство потребителей постоянного тока критичны к пульсациям питающего напряжения. Хорошее качество выпрямительного напряжения может быть обеспечено максимальным снижением коэффициента пульсаций. Для этой цели используют сглаживающие фильтры. В простейшем варианте роль сглаживающего фильтра выполняют:
-
конденсатор Сф, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр);
-
индуктивная катушка Lф, подключенная последовательно с Rh (индуктивный фильтр);
-
комбинация элементов Сф и Lф (индуктивно-емкостный фильтр).
Эффектность сглаживающих фильтров оценивается по значению коэффициента сглаживания
(6)
где q и (q)ф - коэффициенты пульсаций (1) напряжения соответственно при отсутствии и наличии сглаживающего фильтра, при этом
q<(q)ф (7)
то коэффициент сглаживания
S > 1, (S = 10-100) (8)
даже для простейших фильтров.
При использовании сложных многозвеньевых Г-образных фильтров величина S может достигать многих тысяч.
На практике наиболее эффективны комбинированные ( Г-образные) индуктивно-емкостные фильтры.
III. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Опыты проводятся на лабораторной установке выпрямителя рис. (2), которую используют в режимах одно- и двухполупериодного выпрямления.
Рис.2. Схема лабораторной установки для исследования характеристик однофазного выпрямителя.
Установка (рис.2) включает в себя:
- входной понижающий трансформатор Tp1, первичная обмотка которого исключается на напряжение 220 В, а вторичная – формирует напряжение 12 В;
-
блок диодов (БД), состоящий из четырех полупроводниковых диодов, для получения одно- и двухполупериодных схем выпрямления с помощью переключателя S1;
-
блок фильтров (БВ), состоящий из дросселя Lф и двух конденсаторов С1ф и С2ф, включение которых обеспечивается переключателями S3 и S4;
- цифровых измерительных приборов (вольтметра и миллиамперметра) . Вольтметр используется в двух режимах, в первом из которых он измеряет среднее напряжение Ucp, а во втором - действующее, т.е. U
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СООТНОШЕНИЙ ДЛЯ ОДНО- И ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫХ (МОСТОВОГО) СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
А. Исследование однополупериодного выпрямителя без фильтра.
S1 разомкнут. С помощью RH установить Icp = IH = A; измерит цифровым вольтметром среднее напряжение Ucp, а затем действующее значение переменной составляющей U. Затем сделать замеры при IH = 0. [Imax → RH = 27 Ом]
Данные измерений внести в табл. 1.
По действующему значению переменной составляющей выходного напряжения U определяют соответствующую амплитуду:
Um = √2 * U~ (9)
Используя формулу (1), находят расчетом приближенное значение коэффициентов пульсации:
q = Um~ / Ucp (10)
поскольку вместо амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения Um в (9) использована суммарная амплитуда всех гармоник Um~ .
Б. Исследование выпрямителя с сглаживающими фильтрами.
1) Емкостной сглаживающий фильтр включают параллельно нагрузке, способствуя снижению пульсаций выпрямленного выходного напряжения. Исследование проводят при тех же режимах IH = IHOM; IH = 0,5IHOM и IH = 0 (хол. ход).
Данные записывают в табл. 1.
2) Индуктивный сглаживающий фильтр включают последовательно с нагрузкой и проводят исследование при тех же токах нагрузки.
Данные записывают в табл. 1.
В. Исследование 2-х полупериодного (мостового) выпрямителя.
S1 замкнут.
Затем повторяют измерения по п. А без фильтра и с фильтром.
Данные заносят в табл. 1.
По результатам измерений вычисляют коэффициент пульсации без фильтра и с фильтром и коэффициент сглаживания одно- и двух- полупериодного выпрямителя.
Данные заносят в табл. 1.
Таблица 1
Оценка эффективности сглаживающих фильтров.
Тип сглажи- вающего фильтра |
Режим нагрузки |
Измерено |
Вычислено |
Степень эффективности |
|||||||
IH, A |
Ucp, B |
U~, B |
q |
(q) Ф |
S |
||||||
Без фильтра |
номин. |
|
|
— |
|
— |
— |
|
|||
0,5 номин. |
|
|
|
|
— |
— |
|||||
холл. ход |
|
|
|
|
— |
— |
|||||
Емкостный |
номин. |
|
|
|
— |
|
|
|
|||
0,5 номин. |
|
|
|
— |
|
|
|||||
холл. ход |
|
|
|
— |
|
|
|||||
Индуктивный |
номин. |
|
|
|
— |
|
|
|
|||
0,5 номин. |
|
|
|
— |
|
|
|||||
холл. ход |
|
|
|
— |
|
|
IV. ПЛАН И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
-
Изучить электрическую схему установки (рис.1) с выяснением роли и назначения всех ее элементов.
-
Собрать установку (рис.1) и после проверки выполнить подпункты опытов, описанных выше.
-
Пользуясь данными табл. 1, построить на одном графике внешние характеристики однополупериодного выпрямителя Ucp = f(IH) при наличии емкостного или сглаживающего фильтров. Для сравнительной оценки показать на этом графике пунктиром внешнюю характеристику выпрямителя без фильтра.
-
Пользуясь данными табл. 1, построить на одном графике внешние характеристики двухполупериодного выпрямителя. Ucp = f(IH) при наличии емкостного или сглаживающего фильтров. Для сравнительной оценки показать на этом графике пунктиром внешнюю характеристику выпрямителя без фильтра.
-
Рассматривая в качестве критерия эффективности фильтра значение коэффициента сглаживания S, отметить в последнем столбце табл. 1 степень эффективности исследуемых фильтров.