Принципы радиоизмерений Исследование стабилизированного выпрямителя Исследование усилительных каскадов Расчет трехфазной цепи Исследование нелинейных цепей постоянного тока Исследование электрических фильтров

Лабораторные работы по электронике и электротехнике

К основным электрическим показателям характеризующим ВИП как единое целое относятся:

величина постоянного напряжения на выходе ВИП-выпрямленное напряжение (напряжение на нагрузке) U0;

постоянная составляющая выходного тока - выпрямленный ток I0;

коэффициент пульсаций  выходного напряжения (тока)

выходное сопротивление ВИП для переменных токов Rвых.

Рассмотрим принцип построения и работы выпрямителя, фильтра и стабилизатора.

Выпрямители


Простейшей схемой выпрямителя является однофазная схема, работающая на чисто активную  нагрузку (рис.4.3,а). Она состоит из простого трансформатора и вентиля, в качестве которого в настоящее время чаще других используют полупроводниковый кремниевый диод. Вентилем называют прибор, обладающий несимметричной проводимостью – малым сопротивлением для прямого тока и большим сопротивлением для обратного тока.

  а) б)

 Рис. 4.3. а) – однополупериодный выпрямитель, б) – временные диаграммы выпрямленного тока и напряжения.

При включении в цепь источника переменного тока на диоде появляется разность потенциалов. Пусть в течении первого полупериода в точке а будет положительный потенциал, в точке б отрицательный. В течении этого полупериода в цепи будет прямой ток, а в течении второго обратный. Так как обратный ток достаточно мал, то им можно пренебречь, и в цепи получится ток постоянный по направлению и переменный по значению, т.е. пульсирующий. Изменение мгновенных значений напряжения и силы тока в цепи представлены на графике рис.4.3,б. Таким образом, диод проводит в течении половины периода (диод как ключ замкнут), а в течении другой половины не проводит (диод как ключ разомкнут). В однополупериодной схеме выходной ток определяется выражением

,

а средне-выпрямленный ток по периоду I0 (не путать с Iср, который определяется по положительному полупериоду) равен:

Средне-выпрямленное напряжение (постоянная составляющая) U0 и постоянная составляющая тока I0 равно:

Отношение среднего значения выпрямленного напряжения к действующему значению переменного напряжения называется коэффициентом выпрямления.

  т.е. 

Обратное напряжение, действующее на диод равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки:

Коэффициент пульсации определяется отношением амплитуды первой гармоники на нагрузке  к среднему значению напряжения (силы тока). Разложив выражение для импульсов напряжения при однополупериодном выпрямлении в ряд Фурье, получим

Первый член ряда является постоянной составляющей (), а второй -первой гармоникой. Следовательно,

Величина коэффициента пульсации в однополупериодном выпрямителе оказывается большой, что является существенным недостатком этой схемы. Кроме того, ток во вторичной обмотке трансформатора проходит только в одном направлении, создавая постоянное подмагничивание, что увеличивает размеры и массу трансформатора.

Поэтому для повышения эффективности выпрямления используется двухполупериодная схема, которая отличается от однополупериодной наличием двух диодов и более сложным трансформатором, вторичная обмотка которого имеет отвод от средней точки (рис.4.4,а).

 а) б)

Рис. 4.4. Однофазный выпрямитель с нулевым выводом: а – схема,

б – временные диаграммы.

В результате этого ток в нагрузке проходит в течение обоих полупериодов входного напряжения. В первом полупериоде, когда напряжение в точке а положительно относительно нулевого вывода, открывается диод VD1 и через нагрузку Rн протекает ток i1=iн. В этом полупериоде в точке б напряжение отрицательное и диод VD2 находится под обратным напряжением и поэтому закрыт. Во втором полупериоде напряжение в точке а будет отрицательным, а в точке б положительным (знаки потенциалов указаны в скобке). Тогда начинает проводить ток диод VD2 (iн=i2), а диод VD1 оказывается под обратным напряжением.

 Далее процессы в схеме периодически повторяются, в результате чего ток iн протекает через нагрузку Rн в одном направлении, т.е. является выпрямленным током нагрузки, среднее значение которого показано на рис.4.4,б(средний график). Диоды в схеме проводят ток парами поочередно. Обратное напряжение, приложенное к любому закрытому диоду, равно сумме напряжений на обеих вторичных обмотках. Например, на интервале 0,5 Т…Т, когда открыт диод VD2, к аноду диода VD1 приложено отрицательное напряжение U2΄, а к его катоду положительное напряжение Uн =U2΄΄,выделяемое на нагрузке Rн. Поэтому мгновенное обратное напряжение Uобр = U2΄+ U2΄΄=2 U2΄(рис.4.4,б - нижний график), а максимальное обратное напряжение на закрытом диоде равно сумме их амплитуд.

При двухполупериодном выпрямлении среднее значение выпрямленного напряжения и силы тока определяется по следующим формулам:

  

т.е. в два раза выше, чем в однополупериодном.

Напряжение на нагрузке является пульсирующим. Разложив в ряд Фурье, получим

.

Тогда коэффициент пульсации при двухполупериодном выпрямлении будет равен:

 

На практике для определения коэффициента пульсации при двухполупериодном выпрямлении пользуются формулой , где m – число фаз выпрямления. В нашем случае m =2 (две вторичных обмоток) и , что значительно меньше, чем при однополупериодном выпрямлении. Лучше используется и трансформатор. В двухполупериодной схеме ток во вторичной обмотке каждый полупериод протекает в противоположных направлениях, что теоретически устраняет подмагничивание.

Для получения двухполупериодного выпрямления используется также мостовая схема (рис.4.5.), которая выгодно отличается от выпрямителя с нулевым выводом, так как используется простой трансформатор (без нулевого вывода со вторичной обмотки) в принципе в мостовой схеме трансформатор вообще может отсутствовать, и поэтому выпрямитель можно непосредственно включать в сеть переменного тока.


Рис. 4.5. Однофазный мостовой выпрямитель.

Допустим, что в начальный момент времени на верхнем конце вторичной обмотки (точка а) по отношению к нижнему концу (точка б) существует положительный потенциал. В этом случае ток в схеме течет по цепи VD2- Rн- VD4. В следующий полупериод точка б положительна относительно точки а и ток течет по цепи VD3- Rн- VD1. Направление тока через Rн не меняется, а через вторичную обмотку меняется. Так как в мостовой схеме используются оба полупериода напряжения, то она называется двухполупериодной однофазной схемой. Осциллограммы напряжения и тока на нагрузке имеют такой же вид, как и на рис.4.4,б. Максимальное обратное напряжение в мостовой схеме равно сумме амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке и напряжения на нагрузке. Однако следует иметь в виду, что это напряжение приложено к двум последовательно включенным диодам и поэтому делится между ними пополам. Коэффициент пульсации меньше, чем в ранее рассмотренной однополупериодной схеме (при прочих равных условиях).


Исследование выпрямителя однофазного и трехфазного токов