Лабораторная работа № 11. Исследование работы однофазного выпрямителя. Основные положения

Лабораторная работа № 11

Исследование работы однофазного выпрямителя

Цель работы: Снятие нагрузочной характеристики выпрямителя и определение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения, исследование влияния параметров нагрузки на форму и параметры выпрямленного напряжения.

Указание мер безопасности: Правила техники безопасности выполнять в соответствии с данным техническим описанием и инструкцией действующей в лаборатории.

Оборудование: ЛСПЭ– 11, работа№11, ламповый вольтметр, лабораторный стенд 87Л- 01, осциллограф.

 

Студент должен:

знать:

- схемы выпрямителей, область применения;

- основные соотношения между переменными и выпрямленными напряжениями и токами;

- влияние характера нагрузки на выбор схемы выпрямления;

уметь:

- собирать схемы исследования выпрямителей,

- снимать их характеристики и осциллограммы напряжений;

- определять параметры выпрямителей и сглаживающих фильтров;

- определять по виду осциллограмм характер нагрузки и влияние изменения нагрузки на работу выпрямителя.

 

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Однофазные неуправляемые выпрямители. Для выпрямления переменного напряжения однофазных цепей широко применяют два типа однофазных выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодный.

Схема однополупериодного выпрямителя с трансформатором приведена на рисунок 1, а. Диод Д включен последовательно с нагрузочным устройством (резистором) R_н и вторичной обмоткой трансформатора Тр.

а)                                                                                      б)

 

Рисунок 1 – Однополупериодный выпрямитель: а) схема выпрямителя, б) временные диаграммы токов и напряжений

 

Анализ работы выпрямителей проводят при допущении, что диод идеален. Это означает, что:

1) сопротивление диода в прямом направлении равно нулю;

2) обратное сопротивление диода бесконечно велико.

Работу выпрямителей удобно рассматривать с помощью временных диаграмм. На рисунок 1, б изображена временная диаграмма однополупериодного выпрямителя. В течение первого полупериода напряжения U₂, когда потенциал точки a положителен по отношению к потенциалу точки b, диод открыт и в нагрузочном резисторе появляется ток. Если считать, что сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, то все напряжение будет приложено к нагрузочному резистору, т. е. U_Н = U₂. Во второй полупериод полярность напряжения U₂ на вторичной обмотке трансформатора изменяется на противопо- ложную, т. е. потенциал точки а становится отрицательным по отношению к потенциалу точки b. При такой полярности диод включен в обратном направлении. Если считать, что сопротивление закрытого диода равно бесконечности, то все напряжение U2 вторичной обмотки трансформатора будет приложено к закрытому диоду, т. е. Ua = U2, и его максимальное значение

UОБР. max =

× U 2.

Из временных диаграмм видно, что ток iк в нагрузочном резисторе и напряжение U_Н на нем имеют пульсирующий характер и значительно отличаются от постоянных.

Эффективность работы любого выпрямителя определяется коэффициентом пульсаций

П

К = UmП

U 0

× 100 0 0,

где U_mП – амплитуда переменной составляющей напряжения, изменяющегося с частотой повторения импульсов выпрямленного тока,

U₀ – величина пульсаций выпрямленного напряжения.

Широкое применение нашли двухполупериодные выпрямители, в которых в отличие, от однополупериодных выпрямителей выпрямленное напряжение U_Н создается в оба полупериода напряжения сети.

Двухполупериодные выпрямители. Двухполупериодные схемы выпрямления бывают двух типов, схема с выведенной средней точкой вторичной обмотки силового трансформатора и мостовая схема.

Двухполупериодная схема с выводом средней точки (рисунок 2) состоит из трансформатора Тр, вторичная обмотка которого имеет дополнительный вывод от средней точки, двух диодов VД1 и VД2. Данная схема представляет собой сочетание двух однополупериодных схем, работающих на общую нагрузку. В этой схеме в течение первого полупериода (интервал 0-π ) диод VД1 будет открыт, так как к аноду диода приложен положительный потенциал с верхней точки вторичной обмотки трансформатора, а катод через нагрузку подключен к среднему выводу вторичной обмотки, который имеет отрицательный потенциал.

Рисунок 2 – Двухполупериодный выпрямитель: а) схема выпрямителя, б) временные диаграммы токов и напряжений.

 

Через нагрузку Rн будет проходить ток i_VД1 первого диода (см. рисунок 2). На этом же отрезке времени к диоду VД2 будет приложено обратное напряжение (с другой половины вторичной обмотки трансформатора) и он окажется закрытым. В течение следующего

полупериода (интервал π - 2π ) прямое напряжение окажется приложенным ко второму диоду, а обратное – к первому диоду, поэтому открытым будет диод VД2 и по нагрузке проходит ток i_VД2. Таким образом, ток в нагрузке в течение всего периода переменного напряжения протекает в одном и том же направлении. Этот ток вызывает на нагрузке пульсирующее напряжение Uн.

Постоянная составляющая напряжения на нагрузке Uо за период будет в 2 раза больше, чем при однополупериодном выпрямлении, и тогда:

                                                                                   (*) где       U₂ – действующее значение напряжения на одной из полуобмоток трансформатора.

Максимальное обратное напряжение на диоде, например на VД1 (см. рисунок 2, а), определяется максимальным напряжением между концами вторичной обмотки, так как к аноду диода VД1 приложено напряжение верхнего конца вторичной обмотки, в данный момент отрицательное, а к катоду через диод VД2, который проводит ток, приложено положительное напряжение нижнего конца вторичной обмотки. Используя (*), получим

Следовательно, в двухполупериодной схеме максимальное обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение.

Если в данной схеме ток через каждый диод проходит только в течение половины периода, то в это же время через нагрузку он идет в течение всего периода. Это означает, что среднее значение тока через диод в 2 раза меньше, чем среднее значение тока через нагрузку I₀. Обозначив среднее значение тока через диод Iпрср, получим Iпрср = 0, 5 I_0.

Действующее значение тока, проходящего через вторичную обмотку трансформатора, для двухполупериодиой схемы равно I₂ = 0, 785 I_0, т. е. в 2 раза меньше, чем в однополупериодной схеме.

Из временных диаграмм (рисунок 2, 6) видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума дважды за период напряжения сети. Поэтому частота основной гармоники пульсирующего напряжения равна удвоенной частоте напряжения сети.

Для двухполупериодной схемы коэффициент пульсаций k = 0, 67.

Следовательно, рассмотренная схема дает более сглаженное выпрямленное напряжение, чем однополупериодная.

Сердечник трансформатора в схеме двухполупериодного выпрямления не подмагничивается, так как во время четных полупериодов постоянная составляющая тока, проходя по нижней части вторичной обмотки трансформатора, размагничивает сердечник трансформатора, который намагнитился во время нечетных полупериодов. Ток первичной обмотки синусоидален. Так как для получения выпрямленного напряжения необходим трансформатор с средним выводом вторичной обмотки и каждая из половин вторичной обмотки работает только полпериода, то вторичная обмотка в этой схеме выпрямления ис- пользуется не полностью и коэффициент использования обмоток трансформатора ниже.

Для двухполупериодной схемы выпрямления с выводом от средней точки трансформатора S₁ = =1. 23 P₀; S₂ =1. 74 P₀; S_тр = 1. 48 P₀; kтр = 0, 685.

Сравнивая двухполупериодную схему выпрямления с однополупериодной, можно сделать следующие выводы: среднее значение тока диода уменьшается в 2 раза при одном и том же токе нагрузки; меньше коэффициент пульсаций (0, 67), лучше используется трансформатор; обратное напряжение в обеих схемах одинаково. Однако есть и недостатки: необходимость вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора, а также наличие двух диодов вместо одного.

Наибольшее распространение получил мостовой двухполупериодный выпрямитель (рисунок 3, а), в состав которого входят трансформатор Тр, диоды Д₁–Д₄, включенные по мостовой схеме, и нагрузочный резистор R_н.

В один из полупериодов напряжения сети Uc, когда вывод а вторичной обмотки трансформатора имеет положительный потенциал по отношению к выводу b, диоды Д₁, Дз

открыты, а диоды Д₂, Д₄ закрыты. Ток в этот полупериод имеет направление: вывод а

вторичной обмотки трансформатора, диод Д₁ нагрузочный резистор R_н, диод Д₃ и вывод b.

В другой полупериод, когда вывод а имеет отрицательный потенциал по отношению к выводу b, диоды Д₁, Дз закрыты, а диоды Д₂, Д₄ открыты, ток имеет направление от вывода b через диод Д₄, нагрузочный резистор R_н, диод Д₂ к выводу а вторичной обмотки трансформатора. При этом в течение всего периода ток I_Н в нагрузочном резисторе R_н и напряжение U_н на нем имеют одно и то же направление (рисунок 3, б). Кп≈ 0, 67.

                     

Рисунок 3 – Схема (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б) мостового выпрямителя

 

Выходное напряжение выпрямителя зависит от нагрузочного тока. График зависимости среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения нагрузочного тока называется внешней характеристикой выпрямителя.

Рисунок 4 – Внешняя характеристика выпрямителя

 

Как следует из приведенной зависимости, выходное напряжение выпрямителя уменьшается с ростом нагрузочного тока. Это обусловлено тем, что с ростом тока увеличивается падение напряжения на активных сопротивлениях обмоток трансформатора и последовательно включенных элементах сглаживающего фильтра, а также возрастают внутренние падения напряжений на вентилях (диодах). Таким представляет собой выходное сопротивление выпрямителя, которое можно определить по его внешней характеристике по формуле:

rВЫХ

= DUH

DI

H ,

где Δ Uн – изменение выходного напряжения выпрямителя, соответствующее изменению тока нагрузки на величину Δ Iн.

Коэффициентом полезного действия η выпрямителя называют отношение мощности Р₀ постоянного тока, потребляемой нагрузкой, к мощности Р~ переменного тока, потребляемой выпрямителем от сети, т. е.

η = (P₀ / P_~) * 100%

Основными показателями работы выпрямителей являются:

- среднее значение напряжения на нагрузочном устройстве (резисторе) - U_{н. ср..}

- среднее значение тока в нагрузочном устройстве I_н. ср;

- максимальное обратное напряжение на запертом диоде U_обр. max;

- максимальные выпрямленные ток Iн. mах и напряжение Uн. mах;

- коэффициентом пульсаций

- условия эксплуатации (диапазон изменения температуры окружающей среды, влажность, вибрации и т. д. );

- КПД выпрямителя;

- габариты и масса выпрямителя.

Условия работы выпрямительных устройств и предъявляемые к ним требования определяют выбор диодов.

Выбор диодов для выпрямительных устройств производят так, чтобы основные параметры соответствовали основным показателям работы выпрямительного устройства.

Основные параметры диодов подразделяются на электрические и предельные эксплуатационные.

К электрическим параметрам относятся:

- средний ток при прямом включении диода Iпр. ср;

- среднее падение напряжения на диоде при прямом включении Uпр. ср (эти два параметра определяют коэффициент полезного действия выпрямителя; чем меньше Uпр. ср при заданном Iпр. ср, тем выше КПД);

- средний обратный ток диода Iобр. ср.

- Предельными эксплуатационными параметрами, характеризующими предельный электрический режим работы диода, являются:

- допустимое обратное напряжение Uобр. доп;

- допустимый (максимальный) прямой (выпрямленный) ток Iпр. доп.

Кроме указанных параметров часто нужно знать диапазон рабочих температур, относительную влажность, постоянные и ударные ускорения, вибрационные ускорения в определенном диапазоне частот.

Сравнение двух типов выпрямителей при одинаковых значениях U₂ и R_н позволяет выявить их преимущества и недостатки. Мостовой выпрямитель более эффективен: среднее значение выпрямленного тока и напряжения у него в два раза больше, а пульсации значительно меньше, чем у однополупериодного выпрямителя. Недостатком мостового выпрямителя является применение четырех диодов.

В настоящее время в мостовых выпрямителях часто применяют кремниевые диффузионные блоки КЦ402-КЦ405 (от А до И), которые рассчитаны на токи Iпр. ср от 0, 6 до 1 А и напряжения Uобр. доп от 100 до 600 В. Они выпускаются в пластмассовом корпусе с размерами, не превышающими нескольких сантиметров, и массой от 7 до 20г.

 

Алгоритм действий:

1 Подключить приборы стенда к исследуемой работе согласно схемы (рисунок 5). Подключить  к  исследуемой  работе  вольтметр.  Ручку  ― Rн‖  установить  в  крайнее  левое положение. Переключатель ― Лаб. работа‖ установить в положение ― 6‖.

Схема исследования:

Рисунок 5 – Схема подключения приборов

2 Снятие нагрузочной характеристики U_выпр=f(I_выпр)

Вольтметр включить на предел 0-50В, миллиамперметр РА на 0-50мА. Вращением ручки‖ R_н‖ вправо изменить значение выпрямленного тока I_выпр. от минимального до максимального через 2мА. Показания приборов занести в таблицу 1.

 

Таблица 1 – Показания приборов

IВЫПР, мА
UВЫПР, В

 

3 Определение коэффициента пульсации выпрямленного напряжения

К гнѐ здам Х12 и Х13 подключить ламповый вольтметр, которым измеряют напряжение пульсации U_n. Если шкала вольтметра проградуирована в действующих значениях переменного напряжения, то измеренное напряжение пульсации надо умножить

на .

Установить ручку ‖ R_н‖ в в крайнее левое положение и занести показания приборов в

таблицу 2.

Установить ручку ‖ R_н‖ в в крайнее правое положение и занести показания приборов в таблицу 2.

Коэффициент пульсаций К_n определить по формуле:

К_п= UМП 100%,

U 0

где U_МП – амплитуда напряжения пульсаций (измеряется ламповым вольтметром);

U₀ – постоянная составляющая выпрямленного напряжения (измеряется вольтметром

PU).

 

Таблица 2 – Результаты измерений

U0, В	Un, В	UМП= 2 Un, В	Кn, %

 

К гнѐ здам Х12 и Х13 можно подключить электронный осциллограф, с помощью которого наблюдается форма выпрямленного напряжения.

 

4 По данным таблицы 1. 1 построить нагрузочную характеристику выпрямителя.

По данным таблицы 1. 2 вычислить коэффициент пульсаций для крайних значений сопротивления.

 

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: