Исследование полупроводниковых выпрямителей.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Цель работы. Изучить схемы, принцип действия и характеристики однофазных одно- и двухполупериодных выпрямителей.

1. Краткие теоретические сведения.

 

Электрическая энергия подается к потребителям в виде трехфазного или однофазного переменного тока. Однако для питания различных электронных приборов, автоматических устройств, а также для электрифицированного транспорта используется постоянный ток, который получают выпрямлением переменного тока. С этой целью чаще всего используются полупроводниковые выпрямители. Выпрямитель - это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное напряжение (одной полярности).

Их основу составляют полупроводниковые диоды (вентили) (обозначение на схемах рис. 5.1а), пропускающие ток только в одном направлении – когда потенциал анода А выше потенциала катода К.

а)

 

б)

 

 

Рис. 5.1 Блок-схема и осциллограммы напряжения на входе/выходе отдельных блоков двухполупериодного полупроводникового выпрямителя.

 

В состав выпрямителя рис. 5.1б обычно входит трансформатор Тр, обеспечивающий заданную величину напряжения, вентильная группа ВГ, состоящая из одного или нескольких диодов, сглаживающий фильтр СФ и стабилизатор напряжения СН. Выпрямители могут применяться и без фильтра и без стабилизатора напряжения.

Вентильная группа ВГ осуществляет непосредственное выпрямление переменного тока, сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсацию выпрямленного напряжения, а стабилизатор напряжения СН поддерживает величину этого напряжения неизменной, независимо от тока нагрузки.

В простейшем случае вентильная группа состоит из одного диода, при этом достигается однополупериодное выпрямление (см., например, верхняя ветвь выпрямителя на рис. 5.3, осциллограмма – рис. 5.4б). Достоинством этого выпрямителя является его простота (используется один диод), однако существенный недостаток такого выпрямителя ограничивающий его применение – большой коэффициент пульсации р = 1, 57.

Коэффициент пульсации определяется как: ,

где U_m – максимальное (амплитудное) значение переменной составляющей выпрямленного напряжения;

U_{Н.СР .} - среднее значение выпрямленного напряжения за один период (для однополупериодного выпрямления равно 0,45).

Большое применение нашли двухполупериодные выпрямители на базе двух схем: мостовой (рис. 5.2) и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 5.3).

 

 

Рис. 2 Схема мостового выпрямителя

 

Мостовой выпрямитель состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме, где нагрузка R_Н включена в диагональ моста. Каждая пара диодов VD1,VD3 и VD2, VD4 работает попеременно в зависимости от знака напряжения на вторичной обмотке U₂ в тот или иной полупериод переменного напряжения.

Например, при положительном полупериоде сетевого напряжения (на верхнем выводе трансформатора «+») ток проходит по цепи: верхний вывод вторичной обмотки трансформатора а – диод VD1 – нагрузка – диод VD3 – нижний вывод вторичной обмотки b – обмотка (на схеме стрелками указано направление в данный полупериод).

При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения (на нижнем выводе трансформатора «+») ток проходит через нагрузку в том же направлении, но через диоды VD4, VD2.

В выпрямителе со средней точкой (рис. 5.3), в отличие от мостовой схемы, выпрямление в каждый из полупериодов осуществляется одним из диодов – VD1 или VD2. Каждый из диодов работает совместно с частью вторичной обмотки трансформатора (VD1 – c верхней, VD2 – c нижней), например, когда точка а имеет положительный потенциал ток потечет по цепи: точка а – диод VD1 – сопротивление нагрузки R_Н – средний вывод обмотки – обмотка, когда направление тока изменится – по цепи: точка b – диод VD2 – сопротивление нагрузки R_Н – средний вывод обмотки – обмотка.

Каждую из ветвей можно рассматривать как однополупериодный выпрямитель.

Напряжение и ток сохраняют свое направление на нагрузке в течение всего периода. Закрашенными стрелками на схеме указано направление тока для положительного полупериода, незакрашенными – для отрицательного.

Осциллограммы в различных точках показаны на рис. 5.3.

Как видно из диаграмм, в двухполупериодных выпрямителях достигается выпрямление в обе половины периода, тогда как в однополупериодном работа выпрямителя осуществляется только в течение одного полупериода.

Ток первичной обмотки

а)

	Выпрямление тока в ветви VD1

ωt

 

 

ωt

б)

 

	Выпрямление тока в ветви VD2

ωt

в)

 

	Осциллограмма двухполупериодного выпрямленного тока на нагрузке

ωt

 

г)

 

Рис. 5.3 Схема выпрямителя с выводом средней точки трансформатора и осциллограммы в различных точках выпрямителя.

 

Коэффициент пульсации у двухполупериодного выпрямителя заметно ниже, чем у однополупериодном (р = 0,67).

По характеристикам двухполупериодные мостовые выпрямители и выпрямители со средней точкой близки. Достоинством мостового выпрямителя является максимальное использование вторичного напряжения. Выпрямленное напряжение выпрямителя со средней точкой (с тем же общим количеством витков вторичной обмотки) в два раза ниже, чем у мостового выпрямителя, т.к. в каждый полупериод на нагрузку действует напряжение, снимаемое с половины вторичной обмотки (верхней или нижней на схеме рис.3). Преимуществом здесь является меньшее (в два раза) количество используемых диодов, недостатком – нерациональное использование провода и железа трансформатора.

Для сглаживания пульсаций используется сглаживающие фильтры.

Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы, катушки индуктивности, иногда транзисторы.

Основными параметрами сглаживающего фильтра являются коэффициент пульсации р и коэффициент сглаживания q.

Коэффициент пульсации – отношение амплитуды напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока.

Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра р_вх и коэффициент пульсаций на выходе фильтра р_вых.

Коэффициент сглаживания равен отношению коэффициента пульсации на входе р_вх и выходе р_вых фильтра: .

Наиболее эффективно использование комбинаций из индуктивного и емкостного элементов (L, С – фильтры), а лучшей эффективностью, с точки зрения сглаживания пульсации, обладают многозвенные фильтры: Г-образные, П-образные и мостовые, а также электронные.

Коэффициент сглаживания многозвенных фильтров лежит в пределах 100-1000. Некоторые типы сглаживающих фильтров приведены на рис.5.4.

 

Чем меньше коэффициент пульсации, тем выше действующее значение выпрямленного напряжения (в идеальном случае – равное амплитудному).

 

 

А) б) в

Рис.5.4. Типы сглаживающих фильтров:

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: