Экспериментальная часть

Экспериментальная часть лабораторной работы предусматривает определение ВАХ и основных параметров тиристоров.

В работе используются лабораторный стенд, который содержит измерительные приборы, включенные в цепь анода-катода, источник питания, балластное сопротивление и ключ для подачи на тиристор управляющего импульса (рис.3).

Рис.3. Схема для определения параметров тиристора:

V - вольтметр с пределами измерения 50В; mА - миллиамперметр с пределом измерения 500 мА; VT – тиристор; S – ключ; Е – источник напряжения; R_б – балластное сопротивление.

При экспериментальном определении характеристик тиристоров необходимо следить, чтобы величины токов и напряжений не превышали предельных величин измерительных приборов.

1. Измерить напряжения и соответствующие токи для прямого и обратного включения тиристора в закрытом состоянии при отсутствии управляющего напряжения. Для этого на вход электрической схемы (рис.3) подавать регулируемое напряжение с внешнего источника питания. Измерения для каждого включения проводить не менее 10 раз. Результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1.

Uпр, В
Iпр, mА
Uобр, В
Iобр, mА

2. Построить ВАХ тиристора.

3. Определить напряжение включения тиристора.

4. Определить ток удержания тиристора и соответствующее ему напряжение.

5. Измерить напряжения и соответствующие токи для прямого и обратного включения тиристора при подаче 2-х значений управляющего напряжения. Измерения для каждого включения проводить не менее 10 раз. Результаты занести в табл. 2.

Таблица 2.

Uу1, В	Uпр, В
	Iпр, mА
Uу2, В	Uобр, В
	Iобр, mА

6. Определить прямое напряжение, при котором тиристор не включается с помощью управляющего импульса.

7. Определить ток удержания тиристора и соответствующее ему напряжение при наличии управляющего импульса.

Контрольные вопросы

1. Объяснить устройство и принцип работы динистора.

2. Привести ВАХ динистора.

3. Объяснить устройство, принцип работы и ВАХ тиристора.

4. Назвать основные параметры тиристоров.

5. Назвать способы выключения тиристора и динистора.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Цель работы: изучение схем выпрямления, особенностей расчета и измерения их параметров.

Теоретическая часть

Питание радиоаппаратуры, электронных измерительных приборов от сети переменного тока является наиболее экономичным, удобным и надежным способом электропитания. Для этого переменный ток электросети преобразуется в пульсирующий (ток постоянного напряжения, периодически изменяющийся по величине) и затем в постоянный, путем уменьшения пульсации до величины не создающей заметных помех при измерениях или наблюдениях.

Преобразование переменного тока в пульсирующий называется выпрямлением, а сами преобразователи - выпрямителями. Процесс уменьшения пульсаций называется сглаживанием пульсаций и осуществляется сглаживающими фильтрами. Выпрямителем часто называют весь комплекс, в который входят собственно выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Необходимыми частями выпрямителей являются выпрямительные приборы (вентили), пропускающие ток в одном направлении и не пропускающие его (или плохо пропускающие) - в другом. В настоящее время используются полупроводниковые выпрямители, в которых в качестве таких приборов используются диоды и тиристоры.

Выпрямительные схемы можно разделить:

- по числу фаз первичной обмотки трансформатора на однофазные и 3^х - фазные;

- по числу импульсов тока во вторичной обмотке трансформатора за период на одно и двухтактные;

- по типу используемых выпрямляющих приборов на неуправляемые и управляемые.

Для питания приборов от однофазной сети переменного тока (бытовая сеть) используется однополупериодная, двухполупериодная, мостовая схема выпрямления и схема выпрямления с удвоением напряжения.

Упрощение изучения работы выпрямителей достигается рассмотрением их работы на чисто активную нагрузку. При этом также считается, что потери в трансформаторе отсутствуют, а выпрямительные элементы имеют идеальную вольтамперную характеристику. В дальнейшем в качестве выпрямительных приборов будут рассматриваться диоды, поскольку они в основном используются в измерительных и бытовых приборах.

Выбор трансформатора по величине мощности и типа диодов выпрямителя осуществляется по параметрам, которыми характеризуется работа каждого из элементов его схемы.

Для выпрямителей заданными параметрами являются:

- частота  = 2f (f = 50Гц) и напряжение питающей сети ( - амплитудное значение сетевого напряжения);

- средние значение выпрямленного напряжения U₀, тока I₀ и мощности Р₀;

- требуемый коэффициент пульсаций К_п выходного напряжения;

- сопротивление нагрузки R_н.

Эти параметры позволяют определить:

- действующее значение напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора U₂, I₂;

- мощности первичной и вторичной обмоток P₁, P₂ и типовую мощность S_T трансформатора;

- максимальное обратное напряжение U_{обр тах}, выпрямительного прибора;

- среднее и максимальное значение тока выпрямительного прибора I_a, I_{a тах}.

Рис.1. Однополупериодная схема выпрямителя.

Однополупериодная схема выпрямления, приведенная на рис.1, является простейшей и самой несовершенной. Поскольку выпрямительный прибор идеальный, то при положительной полуволне напряжения в нагрузке будет протекать ток, мгновенное значение i₀ которого определяется:

i₀= u₂/R_н, (1)

где u₂ - мгновенное значение напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

При обратной полярности напряжения u₂ сопротивления вентиля бесконечно велико и ток в нагрузке равен нулю. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке (постоянная составляющая) определяется:

(2)

Напряжение U₂ в 2,22 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке (постоянную составляющую) U₂= 2,22 U₀.

Когда диод заперт (U₀ = 0) все напряжение U₂ оказывается приложенным к нему. Максимальное значение обратного напряжения определяется:

, (3)

или заменив U₂, получим

. (4)

Максимальный ток диода:

(5)

где I_2m– амплитудное значение тока вторичной обмотки трансформатора.

Действующие значение тока вторичной обмотки трансформатора:

(6)

т.е. действующий ток вторичной обмотки трансформатора, вызывающий намагничивание сердечника трансформатора, в 1,57 раза больше выпрямленного тока.

Так как постоянная составляющая тока нагрузки не трансформируется в цепь первичной обмотки, то ток в первичной обмотке трансформатора будет повторять переменную составляющую во вторичной обмотке:

, (7)

где i₁ - мгновенное значение тока на первичной обмотке трансформатора; i₂ - мгновенное значение тока на вторичной обмотке трансформатора; n - коэффициент трансформации.

Действующее значение тока первичной обмотки:

. (8)

Подставив (6) в (8), получим

. (9)

Мощность первичной обмотки трансформатора определяется:

. (10)

Мощность вторичной обмотки

. (11)

Типовая мощность трансформатора:

. (12)

Типовая мощность определяет габариты трансформатора. Соотношение (12) свидетельствует о плохом его использовании.

Напряжение на нагрузке и ток пульсируют. Для характеристики степени слаженности напряжения вводится понятие коэффициента пульсации напряжения. Коэффициентом пульсации К_п называют отношение амплитуды основной гармоники U_m0 к среднему значению выпрямленного напряжения на нагрузке:

. (13)

Большой К_п, низкая частота основной гармоники, а также плохое использование обмоток трансформатора, намагничивание сердечника постоянной составляющей выпрямленного тока и большое обратное напряжение не позволяют широко использовать однополупериодную схему выпрямителя.

Получение выпрямленного тока более 10 миллиампер осуществляется с помощью двухполупериодной схемы с нулевым выводом (рис. 2).

Рис.2. Двухполупериодная схема с нулевым выводом.

Вторичная обмотка трансформатора в этой схеме имеет дополнительный вывод от средней точки. Напряжения U₂₁, U₂₂ на верхней и нижней полуобмотках трансформатора равны по величине и противоположны по фазе. В первый полупериод VD1 открыт, VD2 - заперт. Ток протекает через VD1 и нагрузку в направлении, указанном сплошными стрелками (рис.2). Во второй полупериод полярность напряжения меняется. Ток будет проходить через VD2 и нагрузку, VD1 находится под обратным напряжением и тока не пропускает.

Ток в нагрузке протекает в одном направлении в течение обоих полупериодов, но сильно пульсирует.

Среднее значение выпрямленного напряжения (постоянная составляющая) определяется:

, (14)

где U₂= U₂₁ = U₂₂ -действующее напряжение одной из полуобмоток трансформатора.

Максимальный ток диода определяется:

(15)

Рис.3. Форма токов и напряжений для двухполупериодной схемы с нулевым выводом.

Максимальный ток вентиля так же, как и в однополупериодной схеме, в  раз больше его среднего тока. Токи во вторичных полуобмотках трансформатора и вентилях VD1 и VD2 протекают поочередно, вследствие чего использование обмоток трансформатора оказывается неудовлетворительным. В первичной обмотке также имеет синусоидальную форму. Напряжение на закрытом диоде:

. (16)

Максимальное обратное напряжение на вентиле

. (17)

Действующее значение тока вторичной обмотки:

(18)

Действующие значение тока первичной обмотки:

. (19)

Действующие значение напряжения первичной обмотки:

. (20)

Мощность обмоток трансформатора:

(21)

. (22)

Типовая мощность трансформатора:

. (23)

Снижение типовой мощности и лучшее использование трансформатора в двухполупериодной схеме объясняется отсутствием намагничивания сердечника трансформатора постоянной составляющей тока вторичных обмоток. Постоянные составляющие тока этих обмоток создают намагничивающие силы, направленные встречно. Их магнитные потоки в сердечнике трансформатора компенсируются.

Частота основной пульсации основной гармоники в два раза больше частоты сети 2f_c. Коэффициент пульсации в многофазных выпрямителях определяется по формуле:

, (24)

где U_n - амплитуда гармонической пульсации порядка n; m - отношение частоты пульсации основной гармоники к частоте сети.

Поэтому в данной схеме коэффициент пульсаций равен

. (25)

В двухполупериодной схеме трансформатор использован лучше, чем в однополупериодной. Среднее и максимальное значения тока вентиля уменьшаются в два раза при одном и том же токе нагрузки. Частота пульсаций увеличивается в два раза. Амплитуда пульсации уменьшается, но все еще велика. Основным недостатком является высокое обратное напряжение на выпрямительных приборах. Кроме того, нужно использовать симметричные вторичные полуобмотки трансформатора.

Рис. 4. Схема двухполупериодного выпрямителя с удвоением напряжения.

Схема двухполупериодного выпрямителя с удвоением напряжения состоит из двух диодов, которые работают поочередно (рис.4). Во время полупериодов питающего напряжения одного знака импульсами прямого тока через диод VD1 заряжается конденсатор С1, а во время полупериодов обратного знака через диод VD2 заряжается конденсатор С2. Конденсаторы по отношению к нагрузке выпрямителя соединены между собой последовательно, поэтому на ней получается удвоенное напряжение.

Выбор типа диодов схемы производится исходя из следующих соображений: обратное напряжение на каждом из диодов не должно превышать максимально допустимого значения даже при наибольшем значении напряжения питающей электросети и при наибольшем выпрямленном напряжении, которое получается при отключении нагрузки от выпрямителя. Это условие выполняется при U_{обр так}  1,7U₀. Диоды также должны быть рассчитаны на ток I_a  1,6I₀.

Рис.5. Однофазная мостовая схема выпрямителя.

Наибольшее распространение для питания низковольтной радиоэлектронной аппаратуры и измерительных приборов нашла однофазная мостовая схема (рис.5). В ней при положительной полуволне ток протекает в направлении, указанном сплошными стрелками, через выпрямительные приборы VD1, R_н, VD3 и сопротивление нагрузки. При отрицательной полуволне – через VD2, R_н, VD4. Направления токов, текущих через нагрузку в течение обоих полупериодов, совпадают.

Напряжение U₀ представляет полусинусоиды U₂, I₀ совпадает по форме с U₀. Во вторичной обмотке трансформатора протекает переменный синусоидальный ток, что обеспечивает хорошее его использование. Между анодом и катодом выпрямительного прибора в непроводящем направлении приложено напряжение вторичной обмотки трансформатора. Поскольку формы кривых токов и напряжений в нагрузке те же, что и в двухполупериодной схеме с нулевым выводом, то выполняются следующие соотношения U₀ = 0,9 U₂, I₀ = 2I_a, I_{a maх} =  I_a=  /2 I₀.

Коэффициент пульсаций как в предыдущей схеме равен 0,67.

Обратное напряжение на диоде:

, (26)

т.е. в два раза меньше, чем в двухполупериодной схеме.

Действующее значение тока вторичной обмотки:

. (27)

Ток первичной обмотки I₁= I₂/n.

Типовая мощность трансформатора определяется:

S_T = 0,5(U₁I₁+ U₂I₂), (28)

где .

Мостовая схема может быть непосредственно включена в цепь переменного тока, если напряжение сети обеспечивает требуемую величину U₀, т.к. по вторичной обмотке трансформатора не протекает постоянной составляющей тока. Обратное напряжение при одном и том же U₀ ниже, чем в двухполупериодной схеме, в два раза. Типовая мощность трансформатора меньше, чем в других однофазных схемах.

Основным недостатком схемы является использование 4 выпрямительных приборов, поэтому потери в этой схеме немного больше, чем в двухполупериодной с нулевым выводом.

При питании мощной нагрузки или для обеспечения минимального коэффициента пульсаций переменного напряжения на выходе выпрямителя без использования фильтров используются трехфазные схемы выпрямления, основными из которых являются трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом и трехфазная мостовая схема.

Рис.5. Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом.

Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом содержит 3 выпрямительного прибора, параллельно к которым подключается нагрузка. Вторичная обмотка трансформатора в этом случае соединяется звездой.

Рис.6. Форма токов и напряжений для трехфазной схемы выпрямления

с нулевым выводом.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения определяется:

. (31)

Максимальный ток диода:

. (32)

Форма тока во вторичной обмотке трансформатора совпадает с формой тока вентиля. Ток в первичной обмотке имеет ту же форму, но без постоянной составляющей. Частота пульсаций тока в нагрузке в 3 раза выше частоты сети.

Коэффициент пульсации равен

. (33)

Основным недостатком трехфазной схемы является наличие потока вынужденного намагничивания трансформатора, создаваемого протекающей через вторичную обмотку некомпенсированной постоянной составляющей. Типовая мощность трансформатора в 1,35 раз выше мощности, выделяемой в нагрузке.

S_T = 1,35P_o (34)

Рис.7. Трехфазная мостовая схема выпрямления.

Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова) состоит из шести вентилей объединенных в две группы: анодную (VD1, VD3, VD5) и катодную (VD2, VD4, VD6) (рис.7). Обмотки трансформатора могут быть соединены звездой или треугольником. Все вентили работают попарно: один из анодной группы и один из катодной. В катодной группе ток проводит тот вентиль, анодное напряжение которого больше, а в анодной - тот, который имеет наиболее отрицательный потенциал на катоде.

На схеме (рис.7) для момента t показано направление тока. Форма токов и напряжений для трехфазного мостового выпрямителя приведена на рис. 8.

Смена открытых пар вентилей происходит через 1/6 периода. Ток через нагрузку при этом течет в одном направлении.

Среднее значение тока в вентиле определяется:

I_a = (1/3)I₀. (35)

Положительные полуволны синусоиды выпрямляются вентилями катодной группы, т. к. это направление напряжения является для них проводящим. Отрицательные полуволны выпрямляются вентилями анодной группы. В результате к нагрузке оказывается приложенной сумма выпрямленных напряжений анодной и катодной групп. Мгновенные значения напряжений этой суммы представляют разность фазных напряжений, т.е. линейное напряжение чередующихся фаз вторичной обмотки. Происходит выпрямление линейного напряжения, поэтому U₀ больше.

Рис.8. Форма токов и напряжений для трехфазной мостовой схемы

выпрямления.

Среднее значение выпрямленного напряжения в два раза выше, чем в однотактной трехфазной схеме.

Максимальное обратное напряжение, как и в однотактной трехфазной схеме, равно амплитуде линейного напряжения:

. (36)

Ток вторичной обмотки переменный, поэтому нет потока вынужденного намагничивания трансформатора. Частота основной гармоники 6f_c, m=6.

Коэффициент пульсации:

. (37)

Типовая мощность трансформатора:

S_T = 1,05P_o. (38)

Преимуществом трехфазной мостовой схемы является малая типовая мощность требуемого трансформатора, малый K_п, хорошее использование вентилей по напряжению (U_{обр тах}  U₀), что позволяет получать высокие выпрямленные напряжения.

Недостатком схемы является использование 6 выпрямительных приборов, что приводит к большим потерям в выпрямителе.